CVD und Sol-Gel-Techniken

CVD - Chemical Vapor Deposition

ein Verfahren der Oberflächen-Beschichtungstechnik (Chemische Dampfphasenabscheidung).

Was bedeutet CVD?

CVD ist eine Methode zur Erzeugung dünner Schichten. Die dünnen Schichten haben vielfältige Anwendungen: Oberflächen können dadurch gehärtet oder chemisch geschützt werden. Je nach aufgebrachtem Material ist es aber auch die dünne Materialschicht selbst, die interessante Eigenschaften aufweist, als Halbleiter, als luminiszierendes (Leuchtendes) Material, Supraleiter, Sensor usw.

Häufig lassen sich durch Aufbringung dünner Schichten der Wert relativ preiswerter Trägermaterialien (Substrat) erheblich steigern, zusätzlich wird die Menge an aufgebrachtem Material auf das notwendigste begrenzt.

Wie funktioniert CVD?

Im einfachsten Fall werden Substanzen die entweder als Gas oder in leicht verdampfbarer Form vorliegen und in denen die Elemente vorhanden sind aus denen die erwünschte Schicht gebildet werden soll, auf ein Trägermaterial geleitet, dort reagieren sie zu dem erwünschten Material und zu gasförmigen (flüchtigen) Nebenprodukten. Damit es zur Reaktion auf dem Substrat kommt, muss in der Regel Energie zur Verfügung stehen, dies kann z.B. durch Heizen des Substrates, durch das Einkoppeln von Plasmen oder mit Hilfe von (Laser-) Licht erfolgen.

Abb.: Schema CVD-Versuchsaufbau

Was gibt es auf diesem Gebiet zu erforschen?

Der Prozess ist bei genauerer Betrachtung etwas komplizierter: verschiedene physikalische und chemische Prozesse greifen ineinander. Das komplexe Wechselspiel ist zumeist nicht genau bekannt.

Verdampfung der Vorläufersubstanzen:

Bei vielen der neu entwickelten Vorläufersubstanzen ist wenig über deren Verdampfung bzw. thermische Stabilität bekannt.

Reagierende Strömung:

Die Vorläufer müssen gemischt und zum Substrat geleitet werden, hier kommt es zu Temperaturgradienten, Gasphasenreaktionen und unterschiedlichsten Strömungsverhältnissen

• Erreichen die Vorläufer das Substrat oder reagieren sie vorher ab?
• Wenn es zu Reaktionen kommt: welche Produkte entstehen? Sind die Reaktionsprodukte (un-)günstig für die Beschichtung? Können die Reaktionen gezielt unterdrückt (beschleunigt) werden?

Oberflächenreaktionen:

• Reagieren die Vorläufer tatsächlich zu dem erwünschten Produkt (Feststoff)?
• Ist die Reinheit und Kristallinität ausreichend?
• Sind die Schichten zusammenhängend, haften sie gut?
• Wie hängt diese Eigenschaften von den Strömungsbedingungen, Konzentrationen, eingesetzten Vorläufern und Temperaturverläufen ab?

Zusammenhang:

Unser besonderes Interese gilt den mechanistisch/verfahrenstechnischen Aspekten: die Korrelation zwischen eingesetzter Gasphase (Strömungsbedingungen, Temperaturen), Zwischenprodukten nahe der wachsenden Schicht und den resultierenden Schichteigenschaften soll aufgeklärt werden.

Abb.: Der CVD-Prozess

Welche Materialien sind von Interesse?

Das Spektrum an Materialien ist sehr vielfältig, es handelt sich meist um anorganische Schichten. Es lassen sich metallische, keramische sowie halbleitende Materialien herstellen. Unser bisheriges Interesse galt u.a. folgenden Systemen:

• α-Al₂O₃ (Korund) Schichten auf Superlegierungen, als Diffusionsbarriere für hohe Temperaturen, Vorläufer: AlCl₃/CO₂/H₂ sowie Al-Alkoholate
• polykristalline Diamantschichten auf Molybdän, z.B. als sehr gut wärmeleitende Schicht, Vorlaüfer/Prozeß: brennstoffreiche Acetylenflammen
• polykristallines Silizium auf Siliziumcarbid, z.B. zur Erzeugung von Solarzellen, Vorläufer: Silan (SiH₄) 
• Cobaltoxid (Co₃O₄) als Oxidationskatalysator, Vorläufer Cobalt-Acetylacetonat und Sauerstoff (O₂) 
• Silberschichten auf Silizium, als Leiter für die Halbleiterindustrie, Vorläufer: verschiedene Ag-Komplexe 
• Galliumnitrid (GaN) z.B. als Material für blaue Leuchtdioden, aus Trimethylgallium und Ammoniak (Ga(CH₃)₃ und NH₃)