MOCVD选编.ppt

Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD);;外延层的构造;外延的基本物理过程;成核与生长过程示意图;2.表面动力学;表面过程;;生长机制; 岛状生长模式（Volmer-Weber模式） 层状生长模式（Frank-Van der Merwe模式） 层状-岛状生长模式（Stranski-Krastanov模式）;1、岛状生长(Volmer-Weber)模式 ： 被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互键合起来，而避免与衬底原子键合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差；金属在非金属衬底上生长大都采取这种模式。对很多薄膜与衬底的组合来说，只要沉积温度足够高，沉积的原子具有一定的扩散能力，薄膜的生长就表现为岛状生长模式。;2、层状生长（Frank-van der Merwe)模式： 当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合。因此，薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式，沿衬底表面铺开。在随后的过程中薄膜生长将一直保持这种层状生长模式。;3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式： 在层状-岛状中间生长模式中，在最开始一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛状模式。导致这种模式转变的物理机制比较复杂，但根本的原因应该可以归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。;三种不同薄膜生长模式的示意图：;导致生长模式转变的三种物理机制 ;注：在上述三种模式转换机理中，开始的时候层状生长的自由能较低； 但其后，岛状生长的自由能变低了，岛状生长反而变得更有利了。;; 化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。 简单来说就是：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到基片表面上。 从气相中析出的固体的形态主要有下列几种：在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒，在气体中生成粒子。;CVD技术的基本要求;气体入口;硅片;2. CVD技术的热动力学原理 ;所谓边界层，就是流体及物体表面因流速、浓度、温度差距所形成的中间过渡范围。 上图显示一个典型??CVD反应的反应结构分解。首先，参与反应的反应气体，将从反应器的主气流里，借着反应气体在主气流及基片表面间的浓度差，以扩散的方式，经过边界层传递到基片的表面，这些达到基片的表面的反应气体分子，有一部分将被吸附在基片的表面图（b）。当参与反应的反应物在表面相会后，借着基片表面所提供的能量，沉积反应的动作将发生，这包括前面所提及的化学反应，及产生的生成物在基片表面的运动（及表面迁移），将从基片的表面上吸解，并进入边界层，最后流入主体气流里，如图 (d)。这些参与反应的反应物及生成物，将一起被CVD设备里的抽气装置或真空系统所抽离，如图（e）。;以化学工程的角度来看，任何流体的传递或输送现象，都会涉及到热能的传递、动量的传递及质量的传递等三大传递现象。 （1）热量传递 热能的传递主要有三种方式：传导、对流及辐射。因为CVD的沉积反应通常需要较高的温度，因此能量传递的情形，也会影响CVD反应的表现，尤其是沉积薄膜的均匀性;热传导是固体中热传递的主要方式，是将基片置于经加热的晶座上面，借着能量在热导体间的传导，来达到基片加热的目的，如图所示。以这种方式进行的热能传递，可以下式表示。 单位面积的能量传递 = 其中： kc为基片的热传导系数， △T为基片与加热器表面间的温度差， △X则近似于基片的厚度。 ;物体因自身温度而具有向外发射能量的本领，这种热传递的方式叫做热辐射。热辐射能不依靠媒介把热量直接从一个系统传到另一个系统。但严格的讲起来，这种方式基本上是辐射与传导一并使用的方法，如下图。辐射热源先以辐射的方式将晶座加热，然后再由热的传导，将热能传给置于晶座上的基片，以便进行CVD的化学反应。下式是辐射能的传导方程式。 单位面积的能量辐射=Er=hr（Ts1- Ts2） 其中：hr为“辐射热传系数”； Ts1与Ts2则分别为辐射热原及被辐射物体表面的温度。;以热辐射为主的加热;对流是第三种常见的传热方式，流体通过自身各部的宏观流动实现热量传递的过程。它主要是借着流体的流动而产生。 依不同的流体流动方式，对流可以区分为强制对流及自然对流两种。 前者是当流体因内部的“压力梯度”而形成的流动所产生的；后者则是来自流体因温度或浓度所产生的密度差所导致的。 单位面积的能量对流=Ecov=hc（Ts1- Ts2） 其中：hc即为“对流