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Anders als die größeren bekannten Verfahren des 3D-Druckes bzw. der generative Fertigung wie Stereolithografie, Selektives Laser Sintern oder des 3D-Printing, bei welchen drei dimensionale Modelle erstellt werden können, wird Physical- und Chemical Vapour Deposition hauptsächlich für die Beschichtung bzw. Nachbehandlung von Oberflächen eingesetzt.
Wie der Name schon impliziert, wird bei der Vapour Deposition die Beschichtung aus einer Gas- oder Dampfphase gebildet. Bei der „Chemical Vapour Deposition“ (krz.: CVD) entsteht durch eine chemische Reaktion von flüchtigen Schichtelemten in der Gasphase die Beschichtung auf das erhitzte zu beschichtende Material (Substrat). Dabei ergeben sich durch die chemische Reaktion aus einem gasförmigen Ausgangsstoff zwei oder mehrere Reaktionsprodukte, wovon sich mindestens eins im festen Aggregatszustand befindet. Die Reaktion findet in einer gesonderten Umwelt mit verminderten Druck (1- 1000 Pa, entspricht 10 mbar Atmosphärischer Druck) statt. Das ist von Nöten um die gewünschte Reaktion zu förden und damit die Entstehung von festen Partikeln zu verhindern.
Im Gegensatz dazu, wird bei der „Physical Vapour Deposition“ (krz.: PVD) das Schichtmaterial physikalisch in die Dampfphase überführt und über Kondensation auf das Trägermaterial angeheftet. Des Weiteren sind PVDs auf zwei dimensionale Objekte bzw. drei dimensionale Objekte mit kleinen Dimensionen beschränkt. Die Beschichtung hängt von der Streurichtung der Düsen ab, welche das Gas auf das Substrat verteilen. Jedoch machen wiederrum die niedrigeren Arbeitstemperaturen von PVD das Verfahren interessanter, da niedrigere Belastungen auf das Substrat zu erwarten sind.
Das Verhalten des Gases im CVD Prozess ist sehr wichtig, da der Zufluss des Reaktants, die Reaktion und der Abfluss des Restgases aus dem sogennanten Reaktor ausschlaggebend für die Qualität der Schicht sind. Denn die dynamischen Eigenschaften (Grenzschichtgeschwindigkeiten bzw. Grenzschichtdicken) von Gasen müssen für die Reaktion bzw. Wachstumsraten der Schicht berücksichtig werden um eine hohe Qualität zu gewährleisten.
Für die CVD wird Energie für die Reaktion aus der Gasphase zur Bildung der Schicht benötigt. Die Energie kann über LASER, Mikrowellen, UV-Strahlung, Elektronen-, Ionenstrahl oder lokale Plasmazündung übertragen werden.
LASER CVD (krz. LCVD) ist ein Verfahren, wo die gewünschte Temperatur für die Reaktion durch einen LASER verursacht wird. Damit können sehr feine Strukturen bzw. große Genauigkeiten realisiert werden. Die Technik der LCVD ist ähnlich der Technik des fokussierten Ionenstrahls (krz.: Focussed Ion Beam). Dabei werden die Verbindungen des gasförmigen Reaktanten mit Platinumelemten durch den Ionenstrahl gebrochen und es findet eine Platinumabscheidung statt, welches sich auf das Substrat ablagert. Beim LCVD hingegen wird das Substrat erhitzt und über einen sehr reinen gasförmigen Reaktant eine sehr reine Metallschicht hergestellt. Der Reinheitsgrad der Schicht ist Abhängig vom Substrat, aber es sind theoretisch bis zu 100% möglich, während beim FIB lediglich ein Reinheitsgrad von 50% möglich ist. LCVD ist im Gegensatz zu FIB auch noch schneller bei der Herstellung der Beschichtung. Der hohe Reinheitsgrad und die hohe Geschwindigkeit macht dieses Verfahren sehr interessant für die Herstellung mikroelektronischer Bauteile. Denn mit LCVD ist eine größere Anzahl an Schaltung und feinere Leiterbahnen auf der gleichen Fläche herkömmlicher Chips möglich, da der LASER genauer arbeiten kann.
Beschränkungen für die Anwendung von CVD wären unter Anderem, dass nicht für jede beliebige Schichtart ein gasförmiger Reaktant für die Herstellung zur Verfügung steht, sowie die thermische Belastungsgrenze des Substrats. Es können mechanische Verformungen oder Reaktion innerhalb des Substrats auf Grund der zu hohen thermischen Belastung auftreten.
Mit CVD lassen sich verschiedenste Schichtmaterialien realiseren. Angefangen von Metall/Silicium- Hybriden aus Wolframhexaflourid als Oberflächenschutz über der Herstellung von Leiterbahnen in der Halbleitertechnik, bis hin zum Härten von Werkzeugen mittels einer Titannitridschicht. Sehr interessant für die Nanotechnologie ist die Synthesizierung von Kohlenstoffnanoröhren aus dem Substrat mittels CVD.
Auf Grund des hohen Verarbeitungskapazität, des hohen Reinheitsgrades und der niedrigen Betriebskosten ist CVD sehr stark im Feld der Beschichtung in der Elektronikindustrie (Wafern) vertreten. Andererseits werden auch Gläser mit dieser Technik beschichtet. Es werden z.B. Wärmeschutzschichten oder andere Arten von Schutzschichten mit dieser Technik auf Glas aufgetragen. Mit unter eines der größten Anwendungsgebiete neben der Elektronikindustrie ist die Herstellung von Glasfaserkabeln bzw. Lichtwellenleitern. Kunststoffe sind ebenfalls als Substrate einsetzbar, somit wächst das Anwendungsgebiet für CVD weiter.
Quellenverzeichnis:
Barron, Andrew R.; Chemical Vapor Deposition (2009); online: http://cnx.org/content/m25495/latest/ [Zugriff am 30.6.2014]
Terril, R.E.; Church, K.H.; Moon, M.: Laser chemical vapor deposition for microelectronics production (1998); online: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=686934&url=http%3A%2F%2Fieeexplor e.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D686934 [Zugriff am. 30.06.2014]
Dobkin, Daniel. M.; Fundamentals of Chemical Vapor Deposition (2001); online: http://www.enigmatic- consulting.com/semiconductor_processing/CVD_Fundamentals/Fundamentals_of_CVD.html [Zugriff am 30.06.2014]
Roy, S.K.; Laser chemical vapour deposition (1988); online: http://link.springer.com/article/10.1007%2FBF02744550#page-1 [Zugriff am 30.06.2014]
(c) Picture via Wikipedia
von Franz Ferng
In der Gastbeitrag Serie “Back to School” werden Arbeiten von Studenten des FH Technikum Wien veröffentlicht. Diese drehen sich um Additive Fertigung und die technischen Details die dahinter stehen. Die Studenten der Fachrichtung Mechatronik und Robotik publizieren hier ihre Arbeiten aus der Lehrveranstaltung Generative Fertigung mit Dr. Johannes Homa.
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