Chemical vapor deposition
Chemical-vapor deposition, afgekort tot CVD, is een chemisch opdampproces waarbij een thin film, een dunne laag materiaal op een substraat, op een ondergrond wordt aangebracht. De aanduiding chemical vapor deposition is voor het eerst in 1960 door JM Blocher gebruikt, maar de Duitse chemicus Robert Bunsen heeft het proces al in 1852 vermeld.
Onderverdeling
Het opdampproces kan worden onderverdeeld in:
- APCVD, Atmospheric pressure chemical vapor deposition – opdampproces onder atmosferische druk
- ACVD of ALCVD, Atomic layer chemical vapor deposition – opdampproces waarbij lagen gecontroleerd laag voor laag kunnen worden aangebracht
- HFCVP, Hot filament chemical vapour deposition – opdampproces onder hoge temperatuur
- LPCVD, Low-pressure chemical vapor deposition – opdampproces onder gereduceerde atmosferische druk
- MOCVD, Metal organic chemical vapor deposition – opdampproces waarbij het opgedampte materiaal op metaal-organische verbindingen is gebaseerd
- MPCVD – plasma-assisted chemical vapor deposition
- Plasma-enhanced chemical vapor deposition PECVD – opdampproces geschikt voor een lagere temperatuur
- RTCVD, Rapid thermal chemical vapor deposition – versneld opdampproces waarbij alleen het substraat wordt opgewarmd
- RPECVD, Remote plasma enhanced chemical vapor deposition – opdampproces gelijk aan het PECVD-proces, waarbij het substraat niet in direct contact met de plasma-reactiekamer staat. Hierdoor kan het proces bij de relatief lagere kamertemperatuur plaatsvinden.
- UHVCVD, Ultra high vacuum chemical vapor deposition – opdampproces onder zeer lage druk
Proces
Op het al dan niet verwarmde substraat, op het oppervlak wordt als gevolg van een chemische reactie, een dunne laag opgedampt, waarbij een materiaal sublimeert. De chemische processen zijn in theorie in twee groepen onder te verdelen:
- homogene reacties in de gasfase, en
- heterogene reacties aan het oppervlak (gekatalyseerd).
De efficiëntie van de reactie wordt bepaald door het thermodynamisch evenwicht en de reactiesnelheid.
Evenwichtsberekeningen in een gesloten systeem kunnen volgens de thermodynamica worden berekend met behulp van enthalpie, helmholtzenergie en de gibbsenergie, waarbij de laatstgenoemde in evenwicht een minimum zal bereiken, bij zekere druk en volume. Er is in het CVD-proces meestal geen sprake van evenwicht, de verblijftijden zijn te kort, noch van een gesloten systeem. Met kinetische modellen kan men meer inzicht verkrijgen in de reactiemechanismen, maar de voorspellende waarde is vaak klein omdat
- de reactiesnelheden niet of slecht bekend zijn,
- er meer reacties zijn, waarbij de langzaamste bepalend is of
- er een koppeling is met de flow en temperatuur van de CVD-reactor.
Reactor
De basiscomponenten van een CVD-reactor zijn als volgt onder te verdelen:
Reactiekamer
Dit is de kamer waarin het substraat aan de reactieve gasvormige componenten wordt blootgesteld. Deze kan bestaan uit kwarts, poly-silicium, siliciumcarbide, roestvast staal of combinaties daarvan. De temperatuur van de kamer wordt vaak beheerst door middel van lucht, met water voor koeling of met olie voor verwarming.
Verwarming
Naast de temperatuurbeheersing van de reactiekamer wordt het substraat ofwel apart, lokaal verwarmd, ofwel globaal verwarmd door de omgeving, door de reactiekamer. Dit is noodzakelijk om de voor de reactie gewenste temperatuur te krijgen. De temperatuur kan door weerstands-, inductie- of infrarood-verwarming worden geregeld, maar in PECVD zal ook het plasma inductief of capacitief hierbij een rol spelen. Temperatuurverschillen kunnen aanleiding geven tot vrije convectie, wat meestal een verstoring geeft van het gewenste stromingspatroon.
Gasverzorging
De binnenkomende gassen worden meestal gemengd door middel van een systeem van massflowcontrollers, die de hoeveelheden regelen en kleppen, die de leidingen openen en sluiten, en verdeeld in de proceskamer. De gasverdeling kan op verschillende manieren plaatsvinden, afhankelijk van het proces: met een showerhead, bijvoorbeeld PECVD, of verschillende inlaatpijpjes, bijvoorbeeld LPCVD, kunnen de gemengde gassen over het substraat worden gespoeld, laminair of turbulent. Dit kan met geforceerde convectie door een drukverschil aan te brengen. De druk kan ook in de proceskamer door vacuümpompen worden gereduceerd. De uitgaande gassen, vaak met reactieve, corrosieve of giftige componenten, kunnen in een scrubber onschadelijk worden gemaakt.
Proces-sturing
In productie-apparatuur wordt meestal het proces van verwarming en gasverzorging volautomatisch uitgevoerd. Hierbij wordt zowel de veiligheid als het proces bewaakt. Het is ook mogelijk om uit metingen voor, na en tijdens het bewerken eventuele proces- of machine-problemen vast te stellen.
Toepassingen
- chip productie
- metaliseren van kunststoffen
- coaten van metalen voor boren en beitels
- coaten van papier
- kunstmatige diamantschijven voor technische toepassing
- productie van zonnecellen
- productie van grafeen