Теоретические основы технологии получения покрытий химическим осаждением из паровой фазы

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.