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Unter dem Begriff '''chemische Gasphasenabscheidung''' ({{enS|chemical vapour deposition}}, CVD), selten auch ''chemische Dampfphasenabscheidung'', versteht man eine Gruppe von [[Beschichtungsverfahren]] bzw. [[Dünnschichttechnologie]]n, welche unter anderem bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen und [[Lichtwellenleiter]]n eingesetzt werden.

[[Datei:PICT0111.JPG|mini|[[Gleichstrom]]-[[Plasma (Physik)|Plasma]] (violett) verbessert in dieser Labormaßstab-[[PECVD]]-Apparatur das Wachstum von [[Kohlenstoffnanoröhre|Kohlenstoffnanoröhrchen]]]]

== Geschichte ==
Der Begriff {{lang|en|''chemical vapour deposition''}} wurde im Jahr 1960 von ''John M. Blocher, Jr.'' geprägt. Mit diesem Begriff sollte die chemische Gasphasenabscheidung von [[Physikalische Gasphasenabscheidung|physikalischen Beschichtungsverfahren]] unterschieden werden, die John Blocher unter dem Begriff PVD (engl.: {{lang|en|physical vapour deposition}}) zusammenfasste.

Die Geschichte des Verfahrens beginnt jedoch sehr viel früher. Bereits 1852 berichtete der deutsche Chemiker [[Robert Wilhelm Bunsen]] über die Abscheidung von Fe2O3 aus gasförmigem Eisenchlorid (FeCl3) und Wasserdampf.<ref>{{Literatur |Autor=Mark Allendorf |Titel=From bunsen to VLSI: 150 years of growth in chemical vapor deposition technology |Sammelwerk=The Electrochemical Society interface |Band=7 |Nummer=1 |Datum=1998 |Seiten=36–39 |Online=https://www.electrochem.org/dl/interface/spr/spr98/IF3-98-Pages36-39.pdf |Format=PDF |KBytes=131}}</ref> Je nach Begriffsdefinition lassen sich auch noch deutlich ältere Berichte über CVD-Prozesse finden.

== Verfahrensprinzip ==
[[Datei:Sequence during CVD (de).svg|mini|Ereignisabfolge während der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD)]]
An der erhitzten Oberfläche eines [[Substrat (Materialwissenschaft)|Substrates]] wird aufgrund einer chemischen Reaktion aus der [[Gasphase]] eine [[Feststoff]]komponente abgeschieden.

Voraussetzung hierfür ist, dass [[Flüchtigkeit|flüchtige]] Verbindungen der Schichtkomponenten existieren, die bei einer bestimmten [[Reaktion (Chemie)|Reaktionstemperatur]] die feste Schicht abscheiden.

Das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung zeichnet sich durch mindestens eine Reaktion an der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks aus. An dieser Reaktion muss mindestens eine gasförmige Ausgangsverbindung ([[Edukt]]) und mindestens zwei Reaktionsprodukte – davon mindestens eines in der festen Phase – beteiligt sein.

Um gegenüber konkurrierenden Gasphasen-Reaktionen jene Reaktionen an der Oberfläche zu fördern und damit die Bildung von festen Partikeln zu vermeiden, werden Prozesse chemischer Gasphasenabscheidung zumeist bei reduziertem Druck betrieben (typisch: 1–1000 Pa).

Eine besondere Eigenschaft des Verfahrens ist die konforme Schichtabscheidung. Im Unterschied zu physikalischen Verfahren ermöglicht die chemische Gasphasenabscheidung auch die Beschichtung von komplex dreidimensional geformten Oberflächen. So können z. B. feinste Vertiefungen in [[Wafer]]n oder auch Hohlkörper auf ihrer Innenseite gleichmäßig beschichtet werden.

Ein präzises Abscheiden kann auch mit Hilfe von fokussierten [[Elektronenstrahl|Elektronen-]] oder [[Ionenstrahlung|Ionenstrahlen]] erreicht werden. Die [[Elektrische Ladung|geladenen]] [[Elektron]]en bzw. [[Ion]]en bewirken, dass sich die im Gas gelösten Stoffe an den angestrahlten Stellen abscheiden. Solche Elektronenstrahlen können beispielsweise mit einem [[Synchrotron]] oder [[Rasterelektronenmikroskop]] erzeugt werden. Die Ionenstrahlen können mit einem [[Focused Ion Beam|FIB-Gerät]] erzeugt werden. Diese ermöglichen zusätzlich auch ein [[Selektivität (Chemie)|selektives]] gasunterstütztes Ionenstrahlätzen.

== Beispiele ==
* synthetische kristalline [[Diamant]]schichten werden aus einer Gasphase abgeschieden, die im Allgemeinen zu etwa 99 Vol.-% aus Wasserstoff und nur etwa 1 Vol.-% aus einer Kohlenstoffquelle (Methan, Acetylen) besteht. Die Gase werden entweder thermisch, mit Hilfe eines Plasmas oder eines Lasers aktiviert. Der Überschuss an Wasserstoff unterdrückt unter anderem die gleichzeitige Bildung von sp²-hybridisierten Kohlenstoffspezies (Graphit, amorpher Kohlenstoff).
* Eine [[Siliciumnitrid]]-Schicht wird aus [[Ammoniak]] und [[Dichlorsilan]] erzeugt.
* Für Siliciumdioxid-Schichten benutzt man [[Monosilan|Silan]] und Sauerstoff oder TEOS ([[Tetraethylorthosilicat]]) und Sauerstoff.
* Zur Herstellung von Metall/Silicium-Hybriden (Siliciden) wird [[Wolframhexafluorid]] eingesetzt.
* [[Titannitrid]]-Schichten zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Werkzeugen (Bohrer, Schneidwerkzeuge) werden aus [[TDMAT]] und Stickstoff erzeugt.
* Zinnoxid-Schichten werden aus Zinn-Chlorid oder Zinn-organischen Verbindungen und Sauerstoff oder Wasserdampf auf Flachglas und auf Behälterglas abgeschieden.
* [[Siliciumcarbid]]-Schichten werden auf heißen Oberflächen (über ca. 800 °C) aus einem Gemisch aus [[Wasserstoff]] und [[Trichlor(methyl)silan]] (CH3SiCl3) abgeschieden.
* Felder von [[Kohlenstoffnanoröhre]]n können auf einem [[Substrat (Materialwissenschaft)|Substrat]] synthetisiert werden.
* Abscheidung von [[Wolfram(IV)-sulfid|Wolframdisulfid]]-[[Monolage|Monolayern]] (WS2) auf [[Indiumzinnoxid]] (ITO) zur Herstellung transparenter [[Solarzelle]]n<ref>{{Literatur |Autor=Xing He, Yuta Iwamoto, Toshiro Kaneko, Toshiaki Kato |Titel=Fabrication of near-invisible solar cell with monolayer WS2 |Sammelwerk=Scientific Reports |Band=12 |Nummer=1 |Datum=2022-07-04 |ISSN=2045-2322 |DOI=10.1038/s41598-022-15352-x |PMC=9253307 |PMID=35787666 |Seiten=11315 |Online=https://www.nature.com/articles/s41598-022-15352-x |Abruf=2022-09-10}}</ref>

== Anwendung ==
Beschichtungen werden in der Elektronikindustrie angewendet, um z. B. Si3N4, [[Siliciumdioxid|SiO2]], poly-Si, kristallines Si (Epi-Si) und SiONx auf Waferoberflächen abzuscheiden.

Vor der Abscheidung wird der Wafer in einem Trockenätzverfahren (engl.: {{lang|en|dry etch process}}) gereinigt, bei dem entweder [[Schwefelhexafluorid]] oder eine Mischung aus [[Tetrafluormethan]] und hochreinem [[Sauerstoff]] eingesetzt werden. [[Stickstoff]] und [[Wasserstoff]] dienen dabei als Trägergase. Die CVD-Reaktionskammern werden mit [[Stickstofftrifluorid]] gereinigt.

Für die Strukturierung von [[Silicium]] durch Ätzverfahren kann mittels Gasphasen[[epitaxie]] eine mit [[Bor]] dotierte Epi-Si-Schicht als Ätzstoppschicht abgeschieden werden.

Außerhalb der Elektronikindustrie sind die Veredelung von Glas und die Herstellung von [[Lichtwellenleiter|Glasfaserkabeln]] für die optische [[Nachrichtentechnik]] eines der größten Anwendungsgebiete der chemischen Gasphasenabscheidung. So werden jährlich ca. 10 Mio. m² Architekturglas mit Wärmeschutzschichten aus Fluor-dotiertem Zinnoxid überzogen.<ref>{{Literatur |Autor=Mark Allendorf |Titel=On-line Deposition of Oxides on Flat Glass |Sammelwerk=The Electrochemical Society Interface |Band=10 |Nummer=2 |Datum=2001 |Online=https://www.electrochem.org/dl/interface/sum/sum01/IF6-01-Pages34-38.pdf |Format=PDF |KBytes=}}</ref> Eine weitere wichtige Anwendung von Zinnoxid-Schichten ist der Schutz von Behälterglas. Die Beschichtung der Außenflächen schützt das Glas gegen mechanische Stoßbelastungen, beispielsweise in Abfüllanlagen.
Weitere Anwendungen sind optische Schichten auf Glas,<ref>{{Webarchiv|url=http://www.schott.com/lighting/german/products/stage_lighting/reflectors.html |wayback=20050130225042 |text=Reflektoren }}.</ref> auf Kunststoff<ref>[http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=2014 Kunststoffanwendungen].</ref> sowie gasdichte Barriere-Schichten.<ref>[http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=2014 Barriere-Schichten]</ref>

Bordotierte CVD-Diamantelektroden<ref>{{Webarchiv|url=http://www.ist.fhg.de/kompetenz/super/diamant/frames.html |wayback=20081016075956 |text=Künstliche Diamantschichten }}.</ref> werden u. a. in der industriellen Wasserbehandlung zur Abwasseroxidation und Desinfektion von Prozesswässern eingesetzt.

== Verfahrensgrenzen ==
Nicht für jede wünschenswerte Schicht gibt es eine gasförmige Verbindung, aus der sie hergestellt werden könnte.

Eine weitere Einschränkung des Verfahrens stellt die hohe Temperaturbelastung des Substrates dar. Die Wärmebelastung kann unter anderem Verzug an Werkstücken bedingen oder oberhalb der Erweichungstemperatur des zu beschichtenden Materials liegen, sodass das Verfahren nicht angewendet werden kann. Außerdem kommt es bei hohen Temperaturen zu Diffusionsprozessen, dadurch werden Dotierprofile verschmiert oder Metalle diffundieren nach Beschichtungsprozessen ein. Allerdings gibt es auch Varianten, bei denen die thermische Belastung geringer ist und dadurch die negativen Effekte verringert werden.

== Varianten ==
Durch die [[plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung]] (engl.: {{lang|en|plasma enhanced CVD}}, [[PECVD]]) kann die Temperaturbelastung des Substrates reduziert werden.<ref>{{cite web |url=https://www.crystec.com/tridepd.htm |title=Crystec Technology Trading GmbH, PECVD-Prozesse in der Halbleiterindustrie| accessdate=2010-12-17}}</ref> Dabei wird oberhalb des Wafers ein [[Plasma (Physik)|Plasma]] gezündet. Dies kann entweder induktiv (engl.: {{lang|en|inductively-coupled PECVD}}, ICPECVD) oder kapazitiv (engl.: {{lang|en|capacitance-coupled PECVD}}) geschehen. Dieses CVD-Verfahren findet bei Temperaturen zwischen 200 und 500 °C statt. Da bei diesen Temperaturen die thermische Energie zur [[Pyrolyse]] nicht ausreicht, wird das Gas durch ein Plasma angeregt und zersetzt. Weiterhin wird durch die Plasmaanregung die Abscheiderate erhöht. Allerdings besteht hierbei der Nachteil, dass durch die Strahlung des Plasmas die Kristallstruktur des [[Wafer]]s geschädigt wird.
Neben diesen Direkt-Plasmaverfahren gibt es noch die RPECVD (engl.: {{lang|en|remote plasma enhanced CVD}}), bei der das Plasma räumlich vom Substrat getrennt ist. Dadurch wird die Belastung des Substrats durch Ionenbeschuss und Strahlung reduziert.

Das ''HFCVD''-Verfahren (engl.: {{lang|en|hot filament CVD}}, dt. »heißdraht-aktivierte Gasphasenabscheidung«), auch {{lang|en|hot-wire CVD}} oder {{lang|en|catalytic CVD}} genannt, ermöglicht die Schichtabscheidung durch im [[Rezipient]]en gespannte [[Glühwendel|Filamente]] (Drähte), die üblicherweise aus [[Wolfram]], [[Tantal]] oder [[Rhenium]] bestehen. Durch eine angelegte Spannung werden die Filamente zum Glühen gebracht, wobei Drahttemperaturen von bis zu 2600 °C erreicht werden. Die verwendeten Gase werden durch diese hohen Temperaturen an den Filamenten zu Radikalen gespalten und die so gebildeten Species sorgen für den Schichtaufbau (z. B. Herstellung von polykristallinen Diamantschichten).

Niederdruck-CVD (engl.: {{lang|en|low pressure chemical vapour deposition}}, LPCVD) ist das in der Halbleitertechnologie häufig eingesetzte Verfahren zur Abscheidung von Siliciumoxid, Siliciumnitrid und poly-Silicium, sowie von Metallen.<ref>{{cite web |url=https://www.crystec.com/klllpcvdd.htm |title=Crystec Technology Trading GmbH, LPCVD-Prozesse in der Halbleiterindustrie| accessdate=2010-12-17}}</ref> Der Prozess findet in Rohröfen statt, heutzutage meist in Vertikalöfen.

''APCVD'' (engl.: {{lang|en|atmospheric pressure chemical vapour deposition}}, dt. »chemische Gasphasenabscheidung bei [[Atmosphärendruck]]«) wird im Unterschied zu den meisten CVD-Prozessen nicht bei reduziertem, sondern bei Normaldruck betrieben.

Mit ''[[metallorganische chemische Gasphasenabscheidung]]'' (engl.: {{lang|en|metal organic chemical vapour deposition}}, MOCVD, auch: OMCVD) wird die chemische Abscheidung aus metallorganischen Ausgangsverbindungen bezeichnet. Eine Untergruppe des ''MOCVD'' ist die Gasphasen-Epitaxie (engl.: {{lang|en|metal organic vapor phase epitaxy}}, [[MOVPE]]), bei der kristalline Schichten sehr hoher Qualität hergestellt werden. Im Bereich der Verbindungshalbleiterherstellung wie z. B. [[III-V-Halbleiter|III-V-]] und [[II-VI-Halbleiter]] werden diese Bezeichnungen, je nach Sprachraum, für identische Prozesse verwendet.

Eine Spezialität, die den besonderen Vorteil des CVD-Verfahrens nutzt, auch poröse Körper gleichmäßig beschichten zu können, ist die [[chemische Gasphaseninfiltration]] (engl.: {{lang|en|chemical vapour infiltration}}, CVI). Diese Methode wird z. B. für die Beschichtung von Faserbündeln eingesetzt.<ref>{{Literatur |Autor=J Riesch, T Höschen, Ch Linsmeier, S Wurster, J-H You |Titel=Enhanced toughness and stable crack propagation in a novel tungsten fibre-reinforced tungsten composite produced by chemical vapour infiltration |Sammelwerk=Physica Scripta |Band=T159 |Datum=2014-04-01 |ISSN=0031-8949 |DOI=10.1088/0031-8949/2014/T159/014031 |Seiten=014031 |Online=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-8949/2014/T159/014031 |Abruf=2025-01-21}}</ref>

{| class="wikitable centered"
|+ Übersicht der CVD-Verfahren in Bezug auf Prozessparameter und Verwendungszweck
|- class="hintergrundfarbe6"
! CVD-Variante
! typische Arbeitstemperatur
! typischer Arbeitsdruck
! Aktivierungsenergie
! Verwendungszwecke
|-
| APCVD
| 400–1300 °C
| 1 bar
| thermisch aktiviert
| Poly-Si abscheiden für Leiterbahnen, Gateoxid, [[Epitaxie]] von Si-Wafern
|-
| LPCVD
| 500–1000 °C
| 0,01–10 mbar
| thermisch aktivierter Prozess
| Leiterbahnen, [[Siliciumdioxid]], [[Siliciumnitrid]], poly-Silicium
|-
| HFCVD
| 150–1100 °C
| 0,01–200 mbar
| thermisch aktivierter Prozess
| [[Kohlenstoff]]basierte Abscheidung ([[Diamant]], [[amorpher Kohlenstoff]], [[Kohlenstoffnanoröhre]]n), [[silicium]]-basierte Schichten ([[amorph]]es/[[kristallin]]es Si, Si3N4, …)
|-
| [[PECVD]]
| 200–500 °C
| 1 mbar
| plasma + thermisch
| SiO2 abscheiden ⇒ [[Passivierung]] Si3N4 ⇒ [[Passivierung]]
|}

== Literatur ==
Eine hervorragende Übersicht über die chemische Gasphasenabscheidung ist in dem Klassiker „Vapor Deposition“ von Powell et al. zu finden, der trotz seines Alters in den Grundlagen noch immer sehr aktuell ist.

* {{Literatur |Autor=[[Cecil Powell|C. F. Powell]], J. H. Oxley, J. M. Blocher Jr., J. Klerer |Titel=Vapor Deposition |Sammelwerk=Journal of The Electrochemical Society |Band=113 |Nummer=10 |Datum=1966 |Seiten=266C–269C |DOI=10.1149/1.2423765}}
* {{Literatur |Autor=K. L. Choy |Titel=Chemical vapour deposition of coatings |Sammelwerk=Progress in Materials Science |Band=48 |Nummer=2 |Datum=2003 |Seiten=57–170 |Kommentar=sehr ausführlicher Übersichtsartikel neuerer Zeit, in dem neben den einzelnen Verfahren auch Vor- und Nachteile der einzelnen Reaktortypen beschrieben werden |DOI=10.1016/S0079-6425(01)00009-3}}
* {{Literatur |Autor=Hugh O. Pierson |Titel=Handbook of chemical vapor deposition (CVD): principles, technology, and applications |Verlag=William Andrew |Datum=1999 |ISBN=0-8155-1432-8}}
* {{Literatur |Autor=M. Allendorf |Titel=From bunsen to VLSI: 150 years of growth in chemical vapor deposition technology |Sammelwerk=The Electrochemical Society interface |Band=7 |Nummer=1 |Datum=1998 |Seiten=36–39 |Online=https://www.electrochem.org/dl/interface/spr/spr98/IF3-98-Pages36-39.pdf |Format=PDF |KBytes=131}}
* {{Literatur |Autor=C. A. Volkert, A. M. Minor, others |Titel=Focused ion beam microscopy and micromachining |Sammelwerk=MRS bulletin |Band=32 |Nummer=5 |Datum=2007 |Seiten=389–395 |Online={{Webarchiv |url=http://www.fei.com/Portals/_default/PDFs/content/MRS_Bulletin_2007_FIB_machining.pdf |text=fei.com |wayback=20070929011236}} |Format=PDF |KBytes=2420}}

== Weblinks ==
* Daniel M. Dobkin: ''[http://www.enigmatic-consulting.com/semiconductor_processing/CVD_Fundamentals/Fundamentals_of_CVD.html Fundamentals of Chemical Vapor Deposition].'' (Online-Tutorial zu Grundlagen der Chemische Gasphasenabscheidung, englisch)
* Markus Winterer: ''[http://www.vug.uni-duisburg.de/~winterer/education/ws0405/cvd/cvdlecture.pdf Chemical Vapor Deposition and Chemical Vapor Synthesis].'' Universität Duisburg Essen (Vorlesungsfolien, PDF-Datei; 6 MB)
* ''[http://fibics.com/FIBBasics.html Introduction: Focused Ion Beam Systems].'' Fibics (Prinzip der CVD Technik mit Hilfe von FIB, englisch).

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Oberflächenchemie]]
[[Kategorie:Chemisch-technisches Verfahren]]
[[Kategorie:Beschichtungsverfahren]]
[[Kategorie:Chemische Gasphasenabscheidung| ]]

Chemische Gasphasenabscheidung - Versionsgeschichte

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