《CVD动力学》PPT课件(I)

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1、化学气相淀积与薄膜工艺ChemicalVaporDeposition&ThinFilmTechnology孟广耀Tel:3603234Fax:3607627mgym@ustc.edu.cn中国科学技术大学材料科学与工程系固体化学与无机膜研究所5淀积过程动力学5.1化学气相淀积过程动力学概述5.2淀积速率的实验研究5.3实验参量对过程控制机制的作用5.3.1淀积温度5.3.2气体流速5.3.3结晶学取向5.3.4衬底的几何取向5.3.5反应剂分压5.3.6表面积5.4气—固反应动力学和生长机理5.4.1力学分析的一般考虑5.4.2表面气-固反应动力学模型5.5实际体系举例5.5.1GaN

2、单晶薄膜的淀积生长25．4气—固反应动力学和生长机理速率控制过程一经确定，就可以对实验结果进行理论分析，并描述各种控制类型的限度以及推测在实验条件下的过程行为。控制类型不同，分析的内容也不同。供质控制过程(或平衡过程)，应该预言淀积程度与淀积温度、反应剂分压的关系；扩散控制系统的分析对象是：淀积层厚度，均匀性和最佳效率等；动力学控制的体系：理论分析的目的在于从原子水平上描述和确定淀积过程机理，以便改变和选择最佳生长条件。35.4.1动力学分析的一般考虑表面过程是化学气相淀积过程的核心。研究淀积机理，就是查明各种表面步骤的进行规律及其相互联系。一般处理方法是：●建立表面原子、分子过程的模

3、型；●按物理化学的一般原理列出各个步骤的速率表达式；●再根据各步之间的联系和稳态生长条件导出宏观理论速率表达式；●然后与实验结果相比较，以检验模型的正确程度如果在较宽的参数范围内，与实验结果相符合，就可以认为是一个合理的机理45.4.1动力学分析的一般考虑－平行反应与邻接反应－表面过程可以有不同的历程。如外延单晶生长可有两种途径：(1)表面吸附表面反应表面扩散并入晶格；(2)表面吸附表面扩散到适当格点表面反应。过程可由一种途径完成；也可能两种历程同时存在,即发生平行反应平行反应情况:反应速率快的历程对总的生长速率起决定的作用，这与邻接反应恰恰相反，表面成核过程也可以是速率控

4、制步骤，但在导出表面机理与宏观速率的关系时，总是假定它是一个较快的步骤而不予考虑。55.4.2表面气-固反应动力学模型按照表面催化理论，表面反应动力学模型基于如下假定：(1)生长表面具有若干活性位置(s)，且有均匀的表面密度(θ)，这些活性位置可以是晶体格点，也可以是位错或其它缺陷；(2)活性位置可以跟气态原子或分子相结合，形成吸附态络合物或活化络合物(以*标记)，且达到吸附平衡状态；(3)活化络合物之间或它们与气态物种之间发生表面反应，形成固态粒子和吸附态的气体副产物；(4)吸附态气体副产物从表面上解吸65.4.2表面气-固反应动力学模型－AB型化合物热分解的情况－气体分子AB吸附生

5、长在表面的活性位置上是吸附速率常数，吸附速率为：为表面上未被吸附物占据的活化点的分数吸附之后可以发生两种情况(1)未分解而解吸其速率应正比于解吸速率常数和占据的表面格点的分数（4.16）（4.17）75.4.2表面气-固反应动力学模型－AB型化合物热分解的情况(续)－（2）发生分解其速率即为固体A的淀积速率接着解吸，在稳态条件下，表面上和的浓度为常数，于是有和又（4.18）（4.19）（4.20）（4.21）（4.22）85.4.2表面气-固反应动力学模型－AB型化合物热分解的情况(续)－以上各式联立，可得则淀积速率为下面检验在各种速率限制情况下的行为。如果吸附步骤的速率最慢，以致于则

6、式(4.24)简化为式(4.25)表明，无论取什么数值，淀积速率都与分压呈线性关系，其斜率为如图4-7(a)所示(4.24)(4.23)(4.25)9－AB型化合物热分解的情况(续)－图4-7淀积速率与AB分压的关系(a)AB的吸附(b)表面上的分解反应(c)B的解吸图4-7动力学控制的分解反应AB＝A（固）+B（气）的淀积速率与AB分压的关系10－AB型化合物热分解的情况(续)－表面化学吸附为限速过程假定质量转移为快步骤，生长速率与气体流量和线流速无关。式中的各个速率常数随表面的催化活性而异，即生长速率依赖于晶面取向。一般与温度的关系符合阿伦尼乌斯公式。当时，相应各步骤的活化能之间的

7、关系为所以式(4.25)中，因子对温度的变化不十分敏感。实验上求得的表现活化能大致上等于，即表面化学吸附过程的活化位垒。11－AB型化合物热分解的情况(续)－表面分解反应是限速过程如果表面分解反应是限速过程，那么，公式(4.24)则变为式中，称为Langmuir等温吸附系数。此时，宏观生长速率在低压下与呈线性关系，高压下则变为常数，与无关，如图4-7(b)所示。或(4.26)12－AB型化合物热分解的情况(续)－副产物B的解吸是限速步骤如果副产