Chemical Vapour Deposition
Plasma Assisted (Enhanced) Chemical Vapour Deposition

1. CVD   2. PACVD

1. CVD - Chemical Vapour Deposition.

Metody cieplno - chemiczne wykorzystują połączone działania ciepła i ośrodka - przede wszystkim chemicznie aktywnego względem obrabianego tworzywa - w celu pokrycia go i nasycenia danym pierwiastkiem, bądź substancja chemiczna - tak aby uzyskać zadane zmiany składu chemicznego i struktury warstwy powierzchniowej. Metody te pozwalają uzyskać warstwy wierzchnie i powłoki ochronne o grubości od kilkudziesięciu mikrometrów do kilku milimetrów. Wśród metod obróbki cieplno - chemicznych można wyróżnić nasycenie dyfuzyjne przebiegające z udziałem czynnika znacznie przyśpieszającego i aktywizującego procesy ( poprzez zwiększenie adsorpcji czynnika tworzącego warstwę i uaktywnienie powierzchni) - co powoduje, że proces ten trwa znacznie krócej, a określany jest mianem wspomaganego . Potocznie nazwa ta obejmuje się metody CVD ( Chemical Vapour Deposition), czyli chemiczne osadzanie z fazy gazowej. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) znalazło obecnie wiele zastosowań praktycznych do otrzymania cienkich warstw na rożnych podłożach (materiałach). W tradycyjnym rozwiązaniu - są to tzw. niewspomagane metody CVD, które są prowadzone zazwyczaj przy ciśnieniu atmosferycznym. Tradycyjne metody CVD wymagają stosowania wysokich temperatur koniecznych do rozkładu gazowych reagentów (rzędu 900 - 1100 C lub nawet większych) i/lub do przebiegu reakcji chemicznych - umożliwiających tworzenie się warstw, co znacznie ogranicza zakres ich wykorzystania. W metodzie CVD warstwa nowego materiału tworzy się na powierzchni ogrzewanego podłoża na wskutek reakcji chemicznych zachodzących w fazie gazowej lub w fazie pary (g) :

AB_(g) + CD_(g) = AC_(s) +BD_(g)

Mechanizm powstawania warstw jest bardziej skomplikowany niż przedstawiony powyżej. Na mechanizm składa się szereg reakcji, zachodzących w fazie gazowej jak i na granicy faz ciało stale - gaz. Reakcje te są determinowane termodynamicznie i kinetycznie. Zasadniczą role spełnia tutaj temperatura prowadzenia procesu. Oprócz tego na tworzenie się warstw i ich właściwości wpływają takie parametry procesu jak: ciśnienie i skład gazu wprowadzanego do układu, czystość reagentów, przygotowanie powierzchni materiału, etc.

Jako źródła pierwiastków, z których ma powstać warstwa, stosuje się różne substraty gazowe jak i ciekle - zwane prekursorami, którymi mogą być wodorki, halogenki (głównie chlorki), karbonylki a także lotne związki metaloorganiczne, krzemoorganiczne etc. Prekursory w formie gazu lub pary doprowadza się do komory reaktora najczęściej za pomocą tzw. gazów nośnych obojętnych (np. argon, hel) jak i/lub gazów nośnych które mogą brać udział w reakcjach chemicznych prowadzących do powstania warstw (np. azot, metan, wodor, amoniak , tlen ) lub mieszaniny tych gazów.

2. PACVD/PECVD Plasma Assisted (Enhanced) CVD

Bardzo atrakcyjne i perspektywiczne wydaja się metody nanoszenia cienkich warstw z wykorzystaniem plazmy - czyli metody zwane PACVD (ang. Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition), PECVD - (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition). Metody te umożliwiają zarówno osadzanie cienkich warstw na materiałach przewodzących prąd jak i na materiałach nieprzewodzących prąd elektryczny, stosując wyładowania prądów częstotliwości radiowej i niskiej. W swej istocie proces PACVD jest procesem CVD wspomaganym plazmą wyładowania jarzeniowego, mający na celu wytwarzanie twardych warstw powierzchniowych lub warstw wykazujących specjalne właściwości: powierzchniowe i objętościowe (np. ochronne, antykorozyjne, tribologiczne). W procesie tym zachodzą reakcje chemiczne w warunkach aktywacji elektrycznej środowiska gazowego. Ogólnie technika PACVD wykorzystuje zalety CVD, m.in. równomierne osadzanie warstw na różnych materiałach z równoczesną eliminacją ich wad (wysoka temperatura, w której zachodzi proces w technice CVD). Stosowanie wyładowania jarzeniowego może być użyte do wspomagania i przyspieszania procesów chemicznych wykorzystywanych w procesach CVD, oprócz tego pod względem energetycznym proces osadzania jest korzystny, ponieważ plazma niskociśnieniowa pobiera znacznie mniej energii niż inne rodzaje plazmy oraz zużywa mniej energii w porównaniu z metodami termicznymi CVD. Zimna plazma powstająca podczas wyładowania jarzeniowego w technikach PACVD dostarcza jednolity strumień cząstek aktywnych chemicznie (dodatnich jonów, neutralnych cząstek, metastabilnych cząstek, elektronów i fotonów), których energia i strumień mogą być kontrolowane. Na tworzenie się warstwy wierzchniej można wpływa przez zmianę takich wielkości jak: parametry prądowo - napięciowe wyładowania jarzeniowego, temperatura substratów, skład chemiczny i ciśnienie gazu, szybkość przepływu gazów, wlot (położenie) substratów względem elektrod i strumienia gazu oraz przez odpowiednie przygotowanie powierzchni obrabianej. Ogólnie w procesach tworzenia się warstw wierzchnich można wyróżnić etapy, które pozostają w równowadze dynamicznej:

	Reakcje chemiczne w środowisku gazowym, które warunkują dostarczenie reaktywnych cząstek pierwiastków tworzących warstwę wierzchnią.
	Dyfuzja tych cząstek do powierzchni materiału podłoża
	Chemisorpcja (adsorpcja) i desorpcja tych cząstek na podlożu obrabianego materiału
	Procesy dyfuzji (migracji), przemiany fazowe, dysocjacja czy reakcje chemiczne zachodzące na powierzchni ciala stalego.

Rys. Procesy zachodzace w technologiach PACVD

LITERATURA:

• J. Tyczkowski, Cienkie warstwy polimerów plazmowych, Wyd. NT, Warszawa 1990
• T. Burakowski, T. Wierzchoń, Inżynieria powierzchni metali, Wyd. NT, Warszawa 1995
• Praca zbiorowa pod redakcja S. Tkaczyka, Powłoki ochronne, rozdział 8 , Wyd. Politechniki Ślaskiej, Gliwice 1997
• K.E.Oczoś, Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych, Wyd. Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1996
• M. Wysiecki, Nowoczesne materiały narzędziowe, Wyd. NT, Warszawa 1997
• A. Sokołowska, Niekonwencjonalne środki syntezy materialów, Wyd. PWN, Warszawa 1991
• M. Hering, Podstawy Elektrotermii cz. II, rozdzial 12, Wyd. NT, Warszawa 1998
• A. Grill, Cold Plasma in Materials Fabrication. From Fundamentals to Applications, IEEE Press, New York 1994
• M. Konuma, Film Deposition by Plasma Techniques, Springer - Verlag, Berlin 1992
• H. Biederman, Y. Osada, Plasma Polymerization Processes, ELSEVIER , Amsterdam - London - New York - Tokyo 1992

Czasopisma (poświęcone m.in. CVD/PACVD):

Inżynieria Powierzchni
Przegląd Mechaniczny
Applied Physics Letters
Journal of Physics D: Applied Physics
Journal of Applied Physics
European Physical Journal - Apllied Physics
Journal de Physique - Colloques
Journal of Electrochemical Society
Vacuum
Plasma Sources Science and Technology
Plasma Chemistry & Plasma Proceesing
Journal Vacuum Science and Technology A
Diamond and Related Materials
Thin Solid Films
Journal of Applied Physics
Chemical Vapour Deposition
Plasma & Polymers
Czechoslovakian Journal of Physics
Surface & Coatings Technology
Contribution Plasma Physics

Dalsze informacje >>