化学气相沉积的历史是什么？从灯泡到现代电子产品

化学气相沉积 (CVD) 的历史揭示了一项技术，其核心原理在一个多世纪前就被观察到，但直到半导体时代的到来才被正式定义并迅速发展。尽管该术语由 John M. Blocher, Jr. 于 1960 年提出，以区别于物理方法，但其根源可追溯到 19 世纪末白炽灯泡的早期实验。

CVD 的演变是一个科学原理被工业需求转化的清晰故事。它从一种用于简单涂层的利基技术发展成为支撑几乎所有现代电子产品和先进材料的原子级构建工具。

基础时代：早期发现

利用气态化学反应生成固体沉积物的基本概念，其实践历史远比正式名称存在的时间要长。

在 19 世纪后期，致力于白炽灯泡的创新者面临着脆性碳灯丝的挑战。他们发现，在碳氢化合物气体环境中加热这些灯丝会分解气体，沉积一层碳，从而显著提高灯丝的强度和寿命。这本质上是 CVD 的首次主要工业应用。

大约在同一时期，蒙德法于 1890 年被开发出来用于精炼镍。该过程涉及将不纯的镍与一氧化碳反应形成挥发性气体（羰基镍），然后将其在单独的腔室中通过加热分解以沉积超纯镍。这展示了 CVD 在制造超高纯度材料方面的强大能力。

20 世纪中叶标志着 CVD 历史上最关键的转折点。电子工业的兴起创造了只有 CVD 才能满足的需求。

1960 年，John M. Blocher, Jr. 正式提出了化学气相沉积这一术语。这一举动至关重要，因为它正式将 CVD 确立为材料科学的一个独立领域，将其与涉及蒸发或溅射等过程的物理气相沉积 (PVD) 区分开来。

集成电路的开发需要能够沉积极其薄、纯净且均匀的不同材料层。CVD 成为沉积构成微芯片基础的外延硅以及用于绝缘的二氧化硅和氮化硅薄膜的首选方法。

随着电路变得越来越复杂，CVD 也被用于沉积导电层。开发了沉积钨和铝等金属的技术，这些金属充当连接单个芯片上数百万个晶体管的微观导线。

CVD 的历史不仅是成功的故事，也是克服基本局限性的故事。这些挑战是开发更先进 CVD 技术的主要催化剂。

传统的 CVD 工艺需要非常高的温度来驱动必要的化学反应。这种热量可能会损坏或改变半导体晶圆上脆弱的预存层。这一限制直接导致了等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 的发明，该技术利用富能等离子体，使沉积能够在更低、更安全的温度下进行。

随着电子元件缩小到纳米级，制造商需要以单原子精度控制薄膜厚度。这种看似不可能的需求刺激了原子层沉积 (ALD) 的发展，这是一种 CVD 的子类别，其中前体气体一次一个地脉冲进入腔室，从而实现材料一次一个完美原子层的生长。

早期的 CVD 方法难以均匀地涂覆现代微芯片复杂的三维沟槽和结构。这导致了低压化学气相沉积 (LPCVD) 的创建，该技术提高了前体气体均匀到达和涂覆所有表面的能力，确保没有间隙或缺陷。

虽然 CVD 的发展是由电子产品驱动的，但其应用已急剧扩展到工程和材料科学的几乎所有领域。

如今，CVD 用于在切削工具上施加超硬氮化钛涂层，为透镜制造耐刮擦光学涂层，以及为航空航天工业制造高性能陶瓷复合材料。

最近，CVD 已成为生产大尺寸、高质量、单层石墨烯片材的主要方法。通过将甲烷气体流过加热的铜箔，研究人员可以生长均匀的石墨烯薄膜，从而释放该材料在下一代电子产品、传感器和复合材料方面的潜力。

了解 CVD 的演变提供了一个清晰的框架，以欣赏其在当今技术中的作用。

CVD 从加固简单的灯丝到构建人类已知的最复杂设备，其历程证明了其无与伦比的多功能性和控制能力。