化学气相沉积是一种用于生产高质量、高性能固体材料的真空沉积方法。该工艺通常用于半导体工业生产薄膜。
在典型的化学气相沉积中，晶片（衬底）暴露于一种或多种挥发性前驱体中，这些前驱体在衬底表面上反应和/或分解以产生所需的沉积物。通常情况下，这一过程还会产生挥发性副产物，这些副产物通过流经反应室的气流被去除。
微制造工艺广泛使用化学气相沉积法沉积各种形式的材料，包括单晶、多晶、无定形和外延材料。这些材料包括:硅（二氧化硅、碳化物、氮化物、氮氧化物）、碳（纤维、纳米纤维、纳米管、金刚石和石墨烯）、碳氟化合物、细丝、钨、氮化钛和各种高k电介质。
化学气相沉积过程分为多种形式。这些过程通常在引发化学反应的方式上有所不同。
最新的化学气相沉积技术是LPCVD或UHVCVD。
化学气相沉积通常用以传统表面改性技术无法做到的方式来沉积共形覆膜和增强衬底表面。化学气相沉积在沉积非常薄的材料层的原子层沉积过程中非常有用。这种薄膜有多种应用。砷化镓被用于一些集成电路和光伏器件。无定形多晶硅用于光伏器件。某些碳化物和氮化物赋予耐磨性。[7]化学气相沉积聚合可能是所有应用中最通用的，它允许超薄涂层具有一些非常理想的性质，例如润滑性、疏水性和耐候性，仅举几例。[8]金属-有机框架的化学气相沉积，一类结晶纳米多孔材料，最近已经得到证实。[9]预计这些膜在气体传感和低介电常数化学气相沉积技术中的应用对膜涂层也是有利的，例如在脱盐或水处理中，因为这些涂层可以足够均匀（共形）和薄，不会堵塞膜孔。[10]
多晶硅是由三氯硅烷（SiHCl3）或硅烷（SiH4）通过以下反应沉积的:[11]
这种反应通常在LPCVD系统中进行，要么使用纯硅烷原料，要么使用含70-80%氮气的硅烷溶液。在600-650℃的温度和25-150 Pa的压力下，生长速率可以达到每分钟10-20 nm。另一种方法是使用氢基溶液。氢气降低了生长速率，但可以将温度升高至850℃甚至1050℃进行补偿。如果向化学气相沉积室中加入磷化氢、砷化氢或乙硼烷等气体，多晶硅可以通过掺杂直接生长。乙硼烷提高了生长速率，但胂和磷化氢会降低生长速率。
二氧化硅（在半导体工业中通常简称为“氧化物”）可以通过几种不同的工艺沉积。常见的源气体包括硅烷和氧气、二氯硅烷（SiCl2H2）和一氧化二氮[12]（N2O）或正硅酸四乙酯（TEOS：Si(OC2H5)4）。反应如下:[13]
源气体的选择取决于衬底的热稳定性；例如，铝对高温很敏感。硅烷的沉积温度在300到500℃之间，二氯硅烷的沉积温度在900℃左右，TEOS在650到750℃之间沉积，形成一层低温氧化物（LTO）。然而，由硅烷产生的氧化物质量比其他方法低（例如，介电强度更低），并且它会以非晶形式沉积。这些反应中的任何一种都可以在LPCVD使用，但是硅烷反应也可以在APCVD中进行。化学气相沉积氧化物的质量总是比热氧化低，但热氧化只能在制造集成电路的早期阶段使用。
氧化物也可以与杂质一起生长（被称作合金化或“掺杂”）。这可能出于两种目的。在高温下发生的进一步工艺步骤中，杂质可能从氧化物扩散到相邻层（最显著的是硅）并对其掺杂。含有5-15 wt%杂质的氧化物通常用于此目的。此外，掺有五氧化二磷的二氧化硅（“磷玻璃”）可以用来平滑粗糙的表面。磷玻璃会在1000℃以上的温度下发生软化和回流。该工艺要求磷含量至少为6%，但浓度超过8%会腐蚀铝基体。磷由磷化氢气体和氧气共沉积而成:
4 PH3 + 5 O2 → 2 P2O5 + 6 H2
含硼和磷的玻璃（硼磷硅酸盐玻璃，BPSG）在较低温度下会产生粘性流动；两种成分含量约5 wt%的玻璃可达到850℃左右，但很难在空气中的保持稳定。高浓度的氧化磷会与环境水分相互作用产生磷酸。冷却时，磷酸硼的晶体也会从流动的玻璃中沉淀出来；这些晶体不容易在雕刻氧化物时被标准等离子体反应刻蚀，进而将导致在集成电路制造中出现电路缺陷。
除了这些故意的杂质之外，化学气相沉积的氧化物中还可能含有沉积副产物。TEOS产生的氧化物相对较纯，而硅烷引入氢杂质，二氯硅烷引入氯杂质。
人们还探索了利用臭氧而非氧气在较低温度下（350至500℃）从TEOS沉积二氧化硅和掺杂玻璃的工艺。臭氧玻璃具有极好的保形性，但易吸潮——也就是说，由于玻璃中含有硅羟基（Si-OH），它们会从空气中吸收水分。红外光谱和以温度为函数的机械应变是诊断这些问题的有效诊断工具。
氮化硅
氮化硅经常被用作制造集成电路的绝缘体和化学防护层。气相沉积氮化硅是根据以下两个反应:
LPCVD沉积的氮化硅有含量高达8%的氢。而且沉积涂层还会承受很强的拉伸应力，这可能会使厚度超过200纳米的薄膜破裂。然而，它的电阻率和介电强度比微加工中常见的大多数绝缘体都高（分别为1016 ω·cm和10 MV/cm）。
另外两种反应可以使用等离子体来沉积SiNH:
2 SiH4+N2→2 SiH+3 H2
SiH4+NH3→SiH+3 H2
这些薄膜的拉伸应力小得多，但电性能更差（电阻率为106至1015 ω·cm，介电强度为1至5 MV/cm）。[14]
钨的化学气相沉积是通过六氟化钨实现的，六氟化钨可以通过两种方式沉积:
WF6 → W + 3 F2
WF6 + 3 H2 → W + 6 HF
其他金属，尤其是铝和铜，可以通过化学气相沉积法沉积。截至2010年，尽管有挥发性前驱体，如双（六氟乙酰丙酮）合铜Cu(hfac)2，化学气相沉积铜仍不具有商业成本效益。铜通常由电镀沉积而成。铝可以由三异丁基铝（TIBAL）和相关的有机铝化合物沉积而成。
化学气相沉积法被广泛用于沉积钼、钽、钛、镍。这些金属在硅上沉积时可以形成有用的硅化物。钼、钽和钛是通过LPCVD从它们的五氯化物中沉积出来的。镍、钼和钨可以在低温下从它们的羰基前驱体中沉积出来。通常，对于任意金属M，氯化物沉积反应如下:
2 MCl5 + 5 H2 → 2 M + 10 HCl
而羰基分解反应可以在热处理或声空化下自发进行，如以下所示:
M(CO)n → M + n CO
金属羰基化合物经常被湿气或空气剧烈降解，金属前驱体与氧气反应后与二氧化碳一起形成金属或金属氧化物。
根据以下反应式，氧化铌层可以通过乙醇铌的热分解产生，同时产生挥发性的乙醚[15][16] :
许多化学气相沉积方法可以用来合成石墨烯。虽然已经取得了许多进步，但下面列出的工艺还不能在商业上推广。
生产石墨烯所用的最普遍的碳源是甲烷气体。石油沥青是不太受欢迎的选择之一，它以价格低廉而闻名，但更难使用。[17]
虽然甲烷用作碳源最为普遍，但是在制备过程中需要用氢气来促进碳在基底上的沉积。如果甲烷和氢气的流量比不合适，将无法得到预期产物。在石墨烯的生长过程中，甲烷的作用是提供碳源，氢气的作用是提供氢原子来腐蚀无定形碳，[18]并提高石墨烯的质量。但是过量的氢原子也会腐蚀石墨烯。[19]这样一来，石墨烯的晶格完整性受到破坏，进而导致石墨烯质量恶化。[20]因此，在石墨烯生长过程中，通过优化甲烷和氢气的流速，可以提高石墨烯的质量。
使用催化剂来改变石墨烯产物的物理过程是可行的。值得注意的几种催化剂是铁纳米粒子、泡沫镍和镓蒸汽。这些催化剂既可以在石墨烯生长过程中原位使用，[17][21] 也可以放置在距离沉积区一定距离的地方。[22]一些催化剂需要采用别的步骤来从样品材料中去除。[21]
对电子和光电领域的应用而言，在电介质衬底上直接生长高质量的大单晶石墨烯膜至关重要。结合催化化学气相沉积和超平坦电介质衬底的优点，气体催化剂辅助化学气相沉积[23]为制备应用器件上的高质量石墨烯铺平了道路，同时避免了转移的过程。
在石墨烯的生产过程中，环境压力、温度、载气和腔室材料等物理条件起着重要的作用。
大多数系统使用压力范围为1到1500 Pa的低压化学气相沉积（LPCVD）来沉积。[17][22][24][25]然而有些系统仍使用等离子体化学气相沉积（APCVD）。[21]由于低压有助于避免不必要的反应并使衬底上制备的沉积物厚度更为均匀，低压沉积工艺应用更为广泛。
另一方面，沉积所用温度介于800至1050 ℃之间。[17][21][22][24][25] 高温可以提高反应速率。由于除了增加能源成本外，高温还会提高危险等级，必须小心谨慎。
系统中通有氢气和惰性气体（如氩气）。[17][21][22][24][25] 这些气体作为载体来增强表面反应并提高反应速率，进而促进石墨烯在基底上的沉积。
标准石英被用于化学气相沉积石墨烯的管壁和腔室材料。[17][21][22][24][25] 选择石英是因为它具有很高的熔点和化学惰性。换句话说，无论条件如何，石英都不会干扰任何物理或化学反应。
石墨烯样品采用拉曼光谱、XRD、透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）进行测试和表征。[17][21][22][24][25]
拉曼光谱用于表征和识别石墨烯颗粒；XRD用于石墨烯表征化学状态；TEM用于提供石墨烯内部结构的细节；SEM用于表征石墨烯的表面和形貌。
有时，原子力显微镜（AFM）用于测定石墨烯的局部性质，如摩擦和磁性。[24][25]
最近的一项研究表明，冷壁化学气相沉积技术可用于研究石墨烯成核和生长过程中所涉及的基础表面科学，因为它允许对气体流速、温度和压力等工艺参数进行前所未有的控制。这项研究是通过在一个自建的利用电阻加热的立式冷壁系统中让直流电通过衬底来完成的。该研究提出了一个典型的表面形核与生长机制的结论性观点，该机制涉及在半导体工业所需条件下使用催化化学气相沉积法生长二维材料。[26][27]
尽管石墨烯具有令人惊叹的电学和热学性能，但由于其导带和价带之间没有带隙，石墨烯不适合用作未来数字器件的晶体管。这使得石墨烯无法让电子流在开关状态之间切换。缩小尺寸后，宽度小于10 nm的石墨烯纳米带却显示出电子带隙，因此成为了数字器件的潜在候选材料。然而，一个具有挑战性的目标是精确控制它们的尺寸进而控制其电学性能，并且这些石墨烯纳米带通常有着不利于其性能的粗糙边缘。
通过构造使气体中碳原子以晶体形式沉积在基体上所必需的环境，化学气相沉积可以用来制备人造金刚石。在材料科学中，金刚石的化学气相沉积受到了极大的关注，因为它使许多以前被认为过于昂贵的新应用得以实现。化学气相沉积金刚石生长通常在低压（1-27 kPa；0.145–3.926 psi；7.5-203 Torr）条件下进行，步骤包括将不同种类的气体送入腔室，为气体提供能量并为衬底上生长金刚石提供条件。虽然根据所生长的金刚石的类型使用的气体种类有很大不同，但气体中总是有碳源，通常也有氢。能量来源包括热灯丝、微波功率和电弧放电等。使用能源目的是产生等离子体使气体分解进而引发更为复杂的化学反应。金刚石生长的实际化学过程还在研究中，并且正是由于所涉及的金刚石生长步骤种类繁多而变得复杂。
使用化学气相沉积法可以在大面积衬底上生长金刚石薄膜并控制所制备的金刚石的性质。以前使用高压高温（HPHT）技术生产金刚石时，得到的通常是非常小的尺寸不一的独立金刚石。随着化学气相沉积金刚石技术的发展，已经能实现直径大于15 cm（6 inch）的区域上生长金刚石，并且将来可能在更大的区域上成功地涂覆金刚石。这个过程的改进是使几项重要应用实现的关键。
直接在基体上生长金刚石，可以将金刚石的许多重要性质引入到其他材料中。由于金刚石具有所有块状材料中最高的热导率，将金刚石涂覆在高发热电子器件（如光学器件和晶体管）上可以使金刚石成为散热器。[28][29]金刚石薄膜正被用于阀门环、刀具和其他受益于金刚石硬度和极低磨损率的物体上。在每种情况下，生长金刚石都必须小心地进行以获得与基底的必要粘附力。金刚石具有非常高的抗划伤性、导热性、比耐热玻璃更低的热膨胀系数以及接近于Telfon（聚四氟乙烯）的摩擦系数和极强的亲油性，如果能够经济地涂覆大面积基材，金刚石将成为炊具上近乎理想的不粘涂层。
化学气相沉积生长允许人们控制所制备的金刚石的性质。在金刚石生长领域，“金刚石”一词代指主要任何由sp3键碳组成的材料，其中包括许多不同类型的金刚石。通过调节工艺参数——特别是引入的气体，但也包括系统的运行压力、金刚石的温度和产生等离子体的方法——许多可以被认为是金刚石的不同材料都可以被制造出来。制备的单晶金刚石会含有各种掺杂剂。[30]生长的多晶金刚石的晶粒尺寸在几纳米到几微米之间不等。[28][31] 一些多晶金刚石颗粒周围会有薄的非金刚石碳，而另一些则不会。这些不同的因素会影响金刚石的硬度、光滑度、导电性、光学性能等等。
在商业上，用于红外探测器的碲汞镉引起了人们持续的关注。这种由碲化镉和碲化汞的合金组成的材料可以由相应元素的二甲基衍生物制成。
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