Процесс химического осаждения из паровой фазы осуществляется посредством химической реакции. Необходимо учитывать следующие основные аспекты процесса:
1. Термодинамику системы, которая может быть ведущим фактором химической реакции.
2. Основной химический механизм процесса, определяющий скорость реакции.
3. Характер тепло- и массопереноса, на который влияют тип реактора, размер подложки и конструкция системы.
Термодинамика процесса
Основные фундаментальные термодинамические соотношения процесса химического осаждения из паровой фазы выглядят следующим образом:
Δ G 0 = Δ H 0 − T Δ S 0 = − RT ln K (6.1)
где K = отношение произведения активностей или парциальных давлений реагентов к произведению ативностей или парциальных давлений продуктов
Δ G ° – изменение свободной энергии реакции,
Δ H ° – энтальпия реакции,
Δ S ° – энтропия реакции,
Κ – константа равновесия,
T – температура реакции в кельвинах.
Реакции процесса CVD сложны и требуют учета равновесия и промежуточных реакций; необходимо также оценивать множество параметров или даже определять их экспериментально. При анализе сложных реакций широко используются компьютерные программы, разработанные для конкретного процесса химического осаждения.
|
|
Основные аспекты анализа термодинамики процесса химического осаждения:
1. Мультипликативность системы заключается в отношении числа молей реагирующего газа к числу молей полученного газа.
2. Для переноса пара вследствие изменения константы равновесия К требуется, чтобы энтальпия реакции была отлична от нуля и максимальный перенос достигался при К = 1 и парциальном давлении продукта р, равном 0,5 атм.
3. Для протекания процесса CVD изменение энтропии Δ S ° должно быть отрицательным для экзотермических реакций и положительным для эндотермических реакций.
4. Экзотермические реакции CVD предпочтительны при общем уменьшении объема, тогда как эндотермические протекают эффективнее при возрастании объема.
5. Мультипликативность 1/1 не идеальна для переноса паров; контроль изменений осуществим тем лучше, чем больше это отношение.
6. На общее давление в системе CVD влияет константа равновесия К, равная 10 n,где п – мультипликативность.
7. Функция продуктивности.
Термодинамические расчеты позволяют прогнозировать процесс и иического осаждения из паровой фазы.
Кинетика процесса
Кинетика процесса тесно связана с термодинамикой системы и массо- и теплопереносом. Кинетика осаждения выражается количественно скоростью роста продукта в зависимости от изменяемых полного и парциального давлений, активностей и температуры системы. Толщина осадка и распределение его по подложке, диффузия реагентов и продукта на подложке, взаимодействие в системе «реакция – осадок – продукт» не являются четко прогнозируемыми факторами либо из-за недостатка экспериментальных данных для систем тугоплавких соединений, либо из-за изменения геометрии реакторов для осаждения определенного продукта.
|
|
Также кратко разберем макрокинетику процесса осаждения покрытия из паровой фазы.
В гетерогенных процессах протекающих на поверхности с участием адсорбирующего слоя, граница раздела фаз между поверхностью твердого тела и газа (или жидкости) находится в движении. На поверхности может образовываться твердая фаза, как при протекании физических процессов, так и при протекании химических процессов. Гетерогенные процессы многостадийны, наибольшее количество стадий имеют гетерогенные химические процессы.
Основные стадии гетерогенного химического процесса:
1 доставка реагентов в зону реакции;
2 перенос исходных компонентов к поверхности осаждения;
3 адсорбция;
4 поверхностная диффузия;
5 встраивание атомов в поверхность (в кристаллическую решетку);
6 десорбция продуктов реакции;
7 перенос непрореагировавших веществ и продуктов реакции в основной поток;
8 удаление непрореагировавших веществ и продуктов реакции из зоны реакции.
Все перечисленные стадии имеют разную скорость, и скорость всего процесса определяется скоростью самой медленной (лимитирующей) стадии.
При получении покрытий методом химического осаждения из паровой фазы могут реализоваться как гомогенные, так и гетерогенные процессы образования продуктов. При реализации гомогенного продукта продукты осаждения образуются в объеме паровой фазы. Осаждение покрытия из паровой фазы нарушает рост монокристаллического покрытия, создается дефектная структура. При гетерогенном процессе образование покрытия происходит на поверхности подложки, при этом образуется монокристалл с минимальным количеством дефектов.
Качество покрытия при гетерогенном процессе значительно выше, чем при гомогенном.