Распространенные типы технологий химического осаждения

Методы химического осаждения необходимы во многих отраслях промышленности, включая электронику, материаловедение и нанотехнологии. Ниже мы перечислим наиболее часто используемые в современной промышленности методы химического осаждения, каждый из которых имеет свой уникальный процесс и применение.

[1]

1. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) - это широко используемая технология, особенно в производстве полупроводников. В процессе CVD газообразный прекурсор вступает в химическую реакцию на нагретой подложке, в результате чего материал осаждается в виде твердой пленки. Этот метод может осуществляться при различных условиях температуры и давления, в зависимости от осаждаемого материала.

• Области применения: Изготовление полупроводников, покрытия для инструментов, производство солнечных батарей и газоразделительных мембран.
• Разновидности:
• CVD под низким давлением (LPCVD): Используется для осаждения высококачественных пленок при более низком давлении.
• CVD с усилением плазмы (PECVD): Использует плазму для ускорения процесса осаждения, что позволяет осаждать при более низких температурах.
• Металлоорганическое CVD (MOCVD): Идеально подходит для осаждения сложных полупроводников, таких как нитрид галлия (GaN).

2. Физическое осаждение из паровой фазы (PVD)

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) предполагает испарение твердого материала в вакуумной среде и конденсацию паров на подложке с образованием тонкой пленки. В отличие от CVD, PVD обычно не включает химические реакции для формирования осажденного материала.

• Области применения: Покрытия для инструментов, оптические покрытия, микроэлектроника и декоративная отделка.
• Разновидности:
• Осаждение испарением: Твердый материал нагревается в вакууме, превращаясь в пар, который затем конденсируется на подложке.
• Напыление: Ионы бомбардируют материал мишени, в результате чего атомы выбрасываются и оседают на подложке.

3. Электрохимическое осаждение (гальваника)

Электрохимическое осаждение заключается в восстановлении катионов металла из раствора на подложку с помощью электрического тока. Металл осаждается в виде тонкой пленки, толщина которой может контролироваться путем изменения таких параметров, как плотность тока и состав ванны.

• Области применения: Нанесение таких металлов, как золото, серебро, медь и хром, на различные материалы для обеспечения электропроводности, коррозионной стойкости и эстетических целей.
• Разновидности:
• Гальваника: Тонкий слой металла осаждается на подложку с помощью электрохимических процессов.
• Безэлектродное покрытие: Аналогично гальванике, но происходит без использования внешнего тока, часто применяется к непроводящим подложкам.

4. Осаждение золь-гель

Осаждение золь-гель - это метод, используемый для создания тонких пленок из золя-предшественника, который представляет собой коллоидную суспензию мелких частиц в растворителе. Раствор наносится на подложку, и в результате химических реакций, таких как гидролиз и конденсация, образуется гель. Затем гель высушивают и нагревают, чтобы получить твердую пленку.

• Области применения: Оптические покрытия, защитные покрытия, тонкие керамические пленки и сенсорные технологии.
• Преимущества: Низкие температуры обработки и возможность контролировать пористость и состав пленок.
• Разновидности:
• Нанесение покрытия методом погружения: Подложка погружается в раствор и вынимается для формирования однородной пленки.
• Spin Coating: Небольшое количество раствора наносится на подложку, и при вращении жидкость распределяется в тонкую однородную пленку.

5. Атомно-слоевое осаждение (ALD)

Атомно-слоевое осаждение (ALD) - это точный метод создания однородных пленок по одному атомному слою за раз. Полагаясь на самоограничивающиеся химические реакции между газообразными прекурсорами, ALD обеспечивает чрезвычайно тонкий контроль над толщиной и однородностью пленок, что делает его идеальным для приложений, требующих точности на атомном уровне.

• Области применения: Производство полупроводников, высококристаллические диэлектрические пленки, катализ и конформные покрытия на наноструктурах.
• Преимущества: Контроль толщины на атомном уровне, превосходная однородность и соответствие сложной геометрии поверхности.
• Разновидности:
• ALD с плазменным усилением (PEALD): Используется плазма для активации прекурсора, что позволяет осаждать при более низких температурах.

6. Пиролиз распылением

При распылительном пиролизе раствор прекурсора распыляется на капли и затем нагревается в печи или духовом шкафу. Прекурсор разлагается и образует тонкую пленку, конденсируясь на подложке.

• Области применения: Покрытия для солнечных батарей, газовых датчиков и оптоэлектроники.
• Преимущества: Высокая скорость осаждения, низкая стоимость и возможность масштабирования для нанесения покрытий на большие площади.

7. Молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE)

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) - это высокоточный метод осаждения тонких пленок путем направления молекулярного или атомного пучка на нагретую подложку в условиях сверхвысокого вакуума. Материал осаждается по одному атомному слою за раз, что позволяет создавать гладкие, контролируемые пленки.

• Области применения: Изготовление полупроводниковых приборов, производство квантовых точек и передовые исследования в области нанотехнологий.
• Преимущества: Контроль толщины и состава пленки на атомном уровне.

8. Химическое осаждение в ванне (CBD)

Химическое осаждение в ванне (CBD) предполагает погружение подложки в раствор, содержащий соли металлов и другие химические вещества. В ванне происходит химическая реакция, приводящая к восстановлению ионов металла и их осаждению на подложку в виде тонкой пленки.

• Области применения: Осаждение теллурида кадмия для солнечных батарей, оксида цинка для прозрачных проводящих слоев и меди для фотоэлектрических устройств.
• Преимущества: Низкая температура, простое оборудование, экономичность при нанесении покрытий на большие площади.

9. Осаждение с помощью лазерной абляции

При осаждении методом лазерной абляции высокоинтенсивные лазерные лучи испаряют целевой материал, после чего пары конденсируются на подложке, образуя тонкую пленку. Этот метод часто используется в отраслях, требующих осаждения сложных материалов.

• Области применения: Осаждение сверхпроводящих пленок, тонких пленок для микроэлектроники и оптических покрытий.
• Преимущества: Точный контроль над составом пленки и возможность осаждения сложных материалов.

Сравнительная таблица: Распространенные типы методов химического осаждения

Для получения дополнительной информации посетите сайт Stanford Advanced Materials (SAM).

Заключение

Методы химического осаждения незаменимы для получения тонких пленок и покрытий в различных областях применения - от производства полупроводников до энергетики. Каждый метод обладает уникальными преимуществами, подходящими для конкретных материалов и областей применения. Будь то точность ALD, скорость распылительного пиролиза или однородность CVD, понимание характеристик и разновидностей этих методов осаждения необходимо для выбора оптимального подхода к удовлетворению промышленных потребностей.

Ссылки:

[1] Ali Akbar Firoozi, Ali Asghar Firoozi, Taoufik Saidani, Advancing durability in the energy sector: Новые высокотемпературные покрытия и их проблемы, Инженерный журнал Айн Шамс, том 16, выпуск 7.

[2] Ngqoloda, Siphelo & Ngwenya, Thelma & Raphulu, Mpfunzeni. (2025). Последние достижения в области осаждения тонкопленочных солнечных элементов. 10.5772/intechopen.1008691.