《CVD動力學》PPT課件

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1、化學氣相淀積與薄膜工藝ChemicalVaporDeposition&ThinFilmTechnology孟廣耀Tel:3603234Fax:3607627mgym@ustc.edu.cn中國科學技術大學材料科學與工程系固體化學與無機膜研究所5淀積過程動力學5.1化學氣相淀積過程動力學概述5.2淀積速率的實驗研究5.3實驗參量對過程控制機制的作用5.4氣—固反應動力學和生長機理●動力學分析的一般考慮●氣-固表面反應過程動力學模型5.5實際體系舉例5.5.1的外延生長5.5.2的淀積25.1化學氣相淀積過程動力學概述－淀積過程動力學的基本任務?淀積

2、過程動力學研究是化學氣相淀積過程研究的核心課題。其基本任務是通過實驗，研究淀積層的生長速率、質量與淀積參數(shù)的關系，掌握其規(guī)律并確立過程速率的控制機制，以便進一步調整實驗條件，改進工藝狀況，從而獲得表面質量好、晶體完善和厚度均勻的生長層。?根據(jù)實驗規(guī)律，從原子和分子尺度推斷材料淀積的表面過程，進而深化對過程機理的認識，做為進一步改善工藝條件的依據(jù)。本章以半導體單晶薄膜的氣相外延為例，介紹淀積過程動力學的基本概念和處理方法。35.1化學氣相淀積過程動力學概述開管氣流法化學CVD制備外延單晶的的過程模型描繪。圖4-1氣相外延生長程序示意圖4化學氣相淀積

3、過程的步驟化學氣相淀積本質上是一種氣—固表面多相化學反應。參看圖4－1，整個淀積過程可以分為下面幾個步驟：(1)參加反應的氣體混合物向淀積區(qū)輸運；(2)反應物分子由淀積區(qū)主氣流向生長表面轉移；(3)反應物分子(和某些非反應物分子)被表面吸附；(4)吸附物之間或吸附物與氣態(tài)物種之間在表面上或表面附近發(fā)生反應，形成成晶粒子和氣體副產(chǎn)物，成晶位子經(jīng)表面擴散排入晶格點陣；(5)副產(chǎn)物分子從表面上解吸；(6)副產(chǎn)物氣體分子由表面區(qū)向主氣流空間擴散；(7)副產(chǎn)物和未反應的反應物分子，離開淀積區(qū)，從系統(tǒng)中排出。55.1化學氣相淀積過程動力學概述－速率控制步驟這

4、些步驟是依次接連發(fā)生的，最慢的一步?jīng)Q定著總的淀積過程的速率，這個最慢的步驟稱為“速率控制步驟”。應當指出，這里最慢的步驟，并非在實際淀積過程中速率最慢，因為當薄膜生長達到穩(wěn)態(tài)生長時，各步速率相等，只不過其它步驟有能力以更快的速率進行?！瘛百|量輸運控制”或“質量轉移控制”：過程的速率由氣體分子的擴散、對流等物理過程所控制；即由步驟(2)、(6)、(7)等物質輸運過程控制●“化學動力學控制”或“表面控制”：由固體表面上發(fā)生的有關表面吸附、反應、擴散或解吸步驟控制過程的速率●“進氣控制”或“熱力學控制”：在襯底附近的反應劑氣流與生長表面達到平衡，過程速

5、率取決于供氣速率。此時，體系呈現(xiàn)按熱力學規(guī)律變化的特征，故又稱為“熱力學控制”。65.1化學氣相淀積過程動力學概述－速率控制步驟●步驟(2)、(6)、(7)是物質輸運步驟，表示氣體分子在主氣流和生長表面間的遷移，是通過擴散、對流等物理過程進行的。由這些步驟控制過程的速率，稱為“質量輸運”或“質量轉移控制”；●而與固體表面上發(fā)生反應有關的吸附、表面反應、擴散和解吸控制著過程的速率，就稱做“化學動力學控制”或“表面控制”?！袢绻麣饬鞅倔w和襯底表面間的質量轉移以及表面過程進行得都很快，與物料進人生長區(qū)[步驟(2)]的速率差不多，此種情況下，反應劑氣流在

6、襯底附近就有充分的停留時間，足以跟生長表面達到平衡，則整個過程就可以認為是“進氣控制”的。此時，體系呈現(xiàn)按熱力學規(guī)律變化的特征，故又稱為“熱力學控制”。75.1化學氣相淀積過程動力學概述－速率控制步驟－大多數(shù)氣相外延生長，在條件改變時其控制類型也可能改變。如溫度增高，一般由動力學控制轉為質量輸運控制。速率控制類型不同，不僅生長速率不同，而且外延層的性質也有很大的變化。鑒別速率控制方式，能夠進行理論分析，繼而可改進淀積過程或裝置，從而獲得高質量的材料。85.1化學氣相淀積過程動力學概述－速率控制步驟與過程機理－在化學動力學中，一般所謂“機理”是指從

7、原子的結合關系上描繪化學過程。在化學氣相淀積中，“機理”含義更為廣泛。對于動力學控制的過程，“機理”是指原子水平上的表面過程；而對于質量輸運控制過程，“機理”必須包括對質量擴散、對流以及重要的熱傳遞過程的詳盡描述。事實上，淀積過程機理研究的首要任務，不僅是查明過程的實際化學反應，還要判斷是哪一種控制類型在起作用，然后才是推斷表面過程的原子分子實質。通常鑒別控制類型的最有力的方法，就是實驗測定生長參數(shù)(如溫度、反應物分壓、氣體流通和襯底狀況)對淀積速率的影響。95.1化學氣相淀積過程動力學概述－氣相外延和多相催化的異同與互動－氣相外延和多相催化是非

8、常相似的過程，外延生長動力學的研究中的許多概念都是從多相催化領域移植而來。某些外延生長只在襯底晶面上發(fā)生，而不發(fā)生在處于同一溫度下的反應