第六章外延片的制备.ppt

第四章 外延片的制备; 同质外延：生长的外延层与衬底材料相同 异质外延：外延层在结构、性质上与衬底材料不 同 外延分类:气相外延(VPE)－－常用 液相外延(LPE)－－ⅢⅤ 固相外延(SPE)－－熔融再结晶 分子束外延(MBE)－－超薄 ;4.2外延生长动力学原理 ;4.2.1 一般过程 H2还原SiCl4法的化学反应式为： 在生长表面得到游离态的Si原子，析出的Si原子在高温下携带大量的热能，便沿着表面滑动（扩散） 到适当位置，按照一定的晶向加接到晶格点阵上，并释放能量，固定成为晶格点阵的新成员。;外延生长包括下列连续步骤： 1.反应剂质量从气相转移到生长层表面 2.反应剂分子被吸附在生长层表面 3.在生长层表面进行化学反应，得到Si原子和其他副产物 4.副产物分子脱离生长层表面的吸附 5.解吸的副产物从生长表面转移到气相，随主流气体逸出反应室 6. Si原子加接到晶格点阵上 其中1和5为物理扩散过程，2和4为吸附和解吸过程，3为表面化学反应过程; 在开管外延中，系统维持在较高的常压（0.1MPa）状态，俗称常压外延。吸附和解吸的速度相当快，因此，混合气氛中各组分在样品表面的吸附状况可看作一定。这时，外延层的生长速率将主要取决于质量传输和表面化学反应。 在低于一个大气压系统中进行的外延生长，称为低压外延。在这种情况下生长速率主要受混合气氛中各组分在样品表面的吸附及其表面化学反应控制。;4.2.2生长动力学 假设：反应器空间和基座的几何尺度比较起来可视为无限大，且温度均匀。既可以忽略反应器壁的边界效应，又可以认为反应室内气体的性质（如密度、扩散系数等）处处是一样的。 速度附面层：在接近基座表面的一薄层流体中，速度有较大的变化，把这个速度分布受到扰动的区域称为速度附面层 自由流体：速度附面层区域以外的流体; 滞流层：因附面层里流体的速度滞慢于其外面的自由流体，故常将速度附面层称为滞流层 从附面层到其外流动区域速度的分布是连续变化的，如图，通常把附面层的厚度? 规定为：在该处的流速已到达自由流体流速U0 的99%，其中U表示流体的流速。;微流体元及速度分布; 称为粘滞系数。在滞流层内距原点x处取一垂直于基座表面的微流体元ABCD，它在垂直于纸面方向上有一个单位长度。忽略压力沿x方向的损失，则该微流体元沿x方向只受到粘性内摩擦力的作用。BC面的内摩擦力为零，而AD面的内摩擦力为 ; 式中负号表示内摩擦力沿着x轴负方向。根据牛顿第二定律，该作用力引起微流体元内动量的变化。由于流体的流动是连续的，从ABC面流进来的流体必然全部要从CD面流出。作为近似，动量的变化可以看作是流体由BC面流入的结果。而单位时间内从BC面流入的流体带入的动量为 质量×速度 ;该动量全部用在克服内摩擦力上，故有;这就是滞流层厚度的近似表达式，由此可求出平 均滞流层厚为; 仿照速度附面层，引入质量附面层的概念。在质量附面层内浓度有较大的变化，其厚度可以表示为δN 设气体内部和生长表面的反应剂浓度分别为 ; 根据扩散理论，输运到外延层表面的反应剂粒子流密度为 ;另一方面，在生长层界面上进行化学反应所消耗的粒子流密度为;在气体 —生长层界面上的反应剂浓度和外延生长速 率为： ;4.2.3生长速率讨论 表面反应控制 当 时，化学反应进行得慢，反应剂可以充分供给，因此在附面层中反应剂浓度几乎是分布均匀的；外延生长速率主要取决于表面化学反应进行得快慢，所以 ;质量转移控制 当 时，在外延层表面上的化学反应进行得相当快，凡是转移到表面上的反应剂分子瞬间就可以变成硅，因此表面上的反应剂几乎为零，外延生长速率主要取决于反应剂由气相转移到生长表面的快慢，所以;4.3 影响外延生长速率的因数 反应剂浓度:为兼顾结晶的完美性和其他要求，反应剂浓度不宜太大。 ;温度：B区高温区（常选用），A区低温区 较高温度下，速率与温度的关系不明显。较低温度下，速率随绝对温度的增加呈指数急增。;气体流速 :气体流速大生长加快 流量较小时，生长速率与流量的平方根成正比;生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取向有关。由下图可知，圆形管沿基座横向，外延层厚度是中间厚、两边薄；矩形腔的均匀性较圆形腔好。 ;至于生长速率与衬底取向有关，是因为外延层是衬底表面沿其法线方向沿拓的结果。晶面间相互