《CVD动力学》PPT课件

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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5.4气—固反应动力学和生长机理●动力学分析的一般考虑●气-固表面反应过程动力学模型5.5实际体系举例5.5.1的外延生长5.5.2的淀积25.1化学气相淀积过程动力学概述－淀积过程动力学的基本任务♣淀积

2、过程动力学研究是化学气相淀积过程研究的核心课题。其基本任务是通过实验，研究淀积层的生长速率、质量与淀积参数的关系，掌握其规律并确立过程速率的控制机制，以便进一步调整实验条件，改进工艺状况，从而获得表面质量好、晶体完善和厚度均匀的生长层。♣根据实验规律，从原子和分子尺度推断材料淀积的表面过程，进而深化对过程机理的认识，做为进一步改善工艺条件的依据。本章以半导体单晶薄膜的气相外延为例，介绍淀积过程动力学的基本概念和处理方法。35.1化学气相淀积过程动力学概述开管气流法化学CVD制备外延单晶的的过程模型描绘。图4-1气相外延生长程序示意图4化学气相淀积

3、过程的步骤化学气相淀积本质上是一种气—固表面多相化学反应。参看图4－1，整个淀积过程可以分为下面几个步骤：(1)参加反应的气体混合物向淀积区输运；(2)反应物分子由淀积区主气流向生长表面转移；(3)反应物分子(和某些非反应物分子)被表面吸附；(4)吸附物之间或吸附物与气态物种之间在表面上或表面附近发生反应，形成成晶粒子和气体副产物，成晶位子经表面扩散排入晶格点阵；(5)副产物分子从表面上解吸；(6)副产物气体分子由表面区向主气流空间扩散；(7)副产物和未反应的反应物分子，离开淀积区，从系统中排出。55.1化学气相淀积过程动力学概述－速率控制步骤这

4、些步骤是依次接连发生的，最慢的一步决定着总的淀积过程的速率，这个最慢的步骤称为“速率控制步骤”。应当指出，这里最慢的步骤，并非在实际淀积过程中速率最慢，因为当薄膜生长达到稳态生长时，各步速率相等，只不过其它步骤有能力以更快的速率进行。●“质量输运控制”或“质量转移控制”：过程的速率由气体分子的扩散、对流等物理过程所控制；即由步骤(2)、(6)、(7)等物质输运过程控制●“化学动力学控制”或“表面控制”：由固体表面上发生的有关表面吸附、反应、扩散或解吸步骤控制过程的速率●“进气控制”或“热力学控制”：在衬底附近的反应剂气流与生长表面达到平衡，过程速

5、率取决于供气速率。此时，体系呈现按热力学规律变化的特征，故又称为“热力学控制”。65.1化学气相淀积过程动力学概述－速率控制步骤●步骤(2)、(6)、(7)是物质输运步骤，表示气体分子在主气流和生长表面间的迁移，是通过扩散、对流等物理过程进行的。由这些步骤控制过程的速率，称为“质量输运”或“质量转移控制”；●而与固体表面上发生反应有关的吸附、表面反应、扩散和解吸控制着过程的速率，就称做“化学动力学控制”或“表面控制”。●如果气流本体和衬底表面间的质量转移以及表面过程进行得都很快，与物料进人生长区[步骤(2)]的速率差不多，此种情况下，反应剂气流在

6、衬底附近就有充分的停留时间，足以跟生长表面达到平衡，则整个过程就可以认为是“进气控制”的。此时，体系呈现按热力学规律变化的特征，故又称为“热力学控制”。75.1化学气相淀积过程动力学概述－速率控制步骤－大多数气相外延生长，在条件改变时其控制类型也可能改变。如温度增高，一般由动力学控制转为质量输运控制。速率控制类型不同，不仅生长速率不同，而且外延层的性质也有很大的变化。鉴别速率控制方式，能够进行理论分析，继而可改进淀积过程或装置，从而获得高质量的材料。85.1化学气相淀积过程动力学概述－速率控制步骤与过程机理－在化学动力学中，一般所谓“机理”是指从

7、原子的结合关系上描绘化学过程。在化学气相淀积中，“机理”含义更为广泛。对于动力学控制的过程，“机理”是指原子水平上的表面过程；而对于质量输运控制过程，“机理”必须包括对质量扩散、对流以及重要的热传递过程的详尽描述。事实上，淀积过程机理研究的首要任务，不仅是查明过程的实际化学反应，还要判断是哪一种控制类型在起作用，然后才是推断表面过程的原子分子实质。通常鉴别控制类型的最有力的方法，就是实验测定生长参数(如温度、反应物分压、气体流通和衬底状况)对淀积速率的影响。95.1化学气相淀积过程动力学概述－气相外延和多相催化的异同与互动－气相外延和多相催化是非

8、常相似的过程，外延生长动力学的研究中的许多概念都是从多相催化领域移植而来。某些外延生长只在衬底晶面上发生，而不发生在处于同一温度下的反应