Materiaaleja voidaan pinnoittaa monilla eri tekniikoilla ja eri pinnoitteilla. Kemiallisella kaasufaasipinnoituksella (Chemical Vapour Deposition, CVD) voidaan pinnoittaa materiaaleja tasapaksuilla kalvoilla, ja menetelmää onkin hyödynnetty monilla teollisuuden sektoreilla jo useiden vuosien ajan. Tässä artikkelissa kerromme erilaisista kaasufaasipinnoitustekniikoista ja siitä, miksi ja missä niitä käytetään.

Missä kemiallista kaasufaasipinnoitusta käytetään?

Kaasufaasipinnoitusta käytetään erityisesti puolijohdeteollisuudessa, jossa menetelmästä on erityistä hyötyä erilaisten ohutkalvorakenteiden kasvattamisessa. Pinnoituksessa substraatiksi kutsuttu kappale altistetaan kaasumaiselle lähtöaineelle (yhdelle tai useammalle), jotka sitten reagoivat substraatin pinnalla. Reaktion seurauksena kappaleen pinnalle muodostuu haluttu kalvo. Menetelmä poikkeaa fysikaalista kaasufaasipinnoituksesta (Physical Vapour Deposition, PVD) juuri siinä, että kemiallisessa pinnoituksessa pinnalla tapahtuu reaktio.

Kemiallisessa kaasufaasipinnoitusprosessissa syntyneet reaktiotuotteet ja tarvittavat kantokaasut huuhdellaan reaktion jälkeen kaasuvirralla pois. Tyhjiön käyttö ja lämmittäminen saavat myös useat kemikaalit ja metallit höyrystymään eli siirtymään nesteestä tai kiinteästä faasista kaasufaasiin. Tätä kaasuuntumista voidaan edelleen tehostaa esimerkiksi plasmalla tai ultraäänellä, joista ensin mainittua hyödynnetäänkin CVD:n eri variaatioissa.

Kemiallista kaasufaasipinnoitustekniikkaa käytetään erityisesti puolijohteiden ja instrumenttien valmistuksessa käytettyjen kalvojen kasvattamisessa. Tällaisia kalvoja ovat esimerkiksi amorfinen piikalvo, hiilikuitu ja filamentti. Tekniikkaa käytetään myös hiilinanoputkien, TFT-näyttöjen ja ohutkalvo-optiikkatuotteiden valmistuksessa. Menetelmää voidaan hyödyntää myös synteettisten timanttien valmistuksessa, joten menetelmä on paitsi tehokas myös arvostettu. Seuraavassa esittelemme joitakin CVD-menetelmällä valmistettuja materiaaleja hieman yksityiskohtaisemmin.

Kaupallisesti tärkeitä materiaaleja

CVD on monipuolinen tekniikka, ja sitä voidaan soveltaa lukuisten kaupallisesti tärkeiden materiaalien valmistuksessa. Eräs monikäyttöisimmistä kaupallisista materiaaleista on polypii eli monikiteinen pii, jota käytetään paljon aurinkokennoissa ja tietotekniikassa. Osakiteistä piitä valmistetaan yleensä niin sanotulla Siemens-prosessilla, jolla saadaan myös puhtainta monikiteistä piitä. Piin puhtausaste voi olla jopa 99,999999999 %, mutta toisaalta prosessin saanto on pieni. Jopa 80 % maailman piistä tuotetaan tällä prosessilla.

Toinen tärkeä materiaali on piinitridi, jota käytetään puolijohdeteollisuudessa esimerkiksi mikropiirien valmistuksessa sekä aurinkokennoissa eristeinä, passivointikerroksena ja diffuusio- tai hapetusesteenä. Aikaansaadun kalvon ominaisuudet riippuvat voimakkaasti käytetyistä olosuhteista, kuten lämpötilasta ja paineesta sekä tietysti myös prosessissa käytetyn kaasufaasin rakenteesta. Piinitridiä valmistetaan yleensä niin sanottujen LPCVD- ja PECVD-menetelmien avulla.