MOCVD工藝
1反應(yīng)室流體力學(xué)模擬系統(tǒng):
反應(yīng)室流體力學(xué)模擬子系統(tǒng)包括3個部分:(1)有限差分網(wǎng)格的自動剖分;(2)氣流傳輸方程的求解;(3)模擬結(jié)果的可視化處理,各部分的關(guān)系及功能如圖1所示,剖分模塊可對任何結(jié)構(gòu)的反應(yīng)室按用戶要求進(jìn)行自動有限差分網(wǎng)格剖分,并產(chǎn)生剖分文件供模擬模塊使用,模擬模塊對傳輸方程在
現(xiàn)有網(wǎng)格上進(jìn)行快速求解,并存儲數(shù)據(jù)文件供顯示模塊使用,顯示模塊可以=維填充或等值線方式顯示速度分布、壓力分布和溫度分布,并可打印輸出,亦可保存成圖像文件。
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生長高質(zhì)量半導(dǎo)體薄膜的前提條件是反應(yīng)室內(nèi)的氣流應(yīng)為層流,最佳反應(yīng)室結(jié)構(gòu)是指能夠產(chǎn)生層流分布的結(jié)構(gòu),最佳結(jié)構(gòu)是相對的,與生長條件密切相關(guān)這就要求設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)生長的材料系統(tǒng)及生長條件來設(shè)計(jì)反應(yīng)室結(jié)構(gòu),
2化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)模擬系統(tǒng):
對于MOCVD系統(tǒng),在一定條件下,當(dāng)反應(yīng)物的消耗速率及生成物的產(chǎn)生速率近似相等時(shí),就可以認(rèn)為達(dá)到一種動平衡,這時(shí)熱力學(xué)分析的相平衡理論就可以運(yùn)用于系統(tǒng),通常進(jìn)行熱力學(xué)分析有兩種方法,一種是求解質(zhì)量作用方程組,可得到系統(tǒng)中各物種于平衡態(tài)時(shí)的濃度;另一種是以系統(tǒng)相平衡時(shí)自由能最小為判據(jù),同樣可得到反應(yīng)后組分,后者更適于處理復(fù)雜的多元復(fù)相系統(tǒng),在開發(fā)熱力學(xué)模擬系統(tǒng)時(shí)我們采用了后者,將自由能最小原理推廣到多元復(fù)相系統(tǒng),并將各種工藝參數(shù)對系統(tǒng)引起的物種分配變化,集成于一個模擬系統(tǒng)處理,采用目前比較先進(jìn)的VCS算法,實(shí)現(xiàn)對MOCVD近平衡體系的單參數(shù)及雙參數(shù)模擬分析,組建了包括AS,H,C,GA,N,P,C1,GE,SI,SB,IN等元素的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫,該系統(tǒng)能夠處理包括氣相、液相、固相及多元合金的復(fù)相熱力學(xué)平衡系統(tǒng),原則上對所有熱力學(xué)平衡系統(tǒng)(包括離子體系)均可處理,關(guān)鍵在于收集的物種熱力學(xué)數(shù)據(jù)的完備性及可靠性,由于率系統(tǒng)以平衡態(tài)判據(jù)作為基礎(chǔ),故其對平衡系統(tǒng)和近平衡系統(tǒng)是適用的,對非平衡系統(tǒng)可以給出一種反應(yīng)趨勢,
化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)模擬系統(tǒng)的構(gòu)架如圖2所示,其中編輯工具用于以文奉模式查看計(jì)算結(jié)果;計(jì)算模塊對體系的單、雙參數(shù)變化進(jìn)行多元分析,最后形成用于二維及三維圖形輸出的數(shù)據(jù)文件;數(shù)據(jù)庫管理工具用于熱力學(xué)數(shù)據(jù)的查看、添加等管理工作;繪圖模塊對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行二維或三維圖形顯示;幫助模塊提供軟件介紹及使用方法,
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3沉積過程動力學(xué)模擬系統(tǒng)
MOCVD系統(tǒng)的沉積過程是非常復(fù)雜的,我們從化學(xué)動力學(xué)的角度研究MOCVD工藝過程中復(fù)雜而且數(shù)量很大的微觀化學(xué)反應(yīng)對沉積過程的影響,建立了MOCVD工藝過程的動力學(xué)傳輸模型,模型首先從MOCVD系統(tǒng)的控制方程出發(fā),求解動量、能量以及質(zhì)量的守恒方程和連續(xù)性方程,采用完全臆式的Crank-nicolson算法計(jì)算,以確保求解過程的穩(wěn)定收斂,并在質(zhì)量傳輸?shù)挠?jì)算過程中引入微觀化學(xué)反應(yīng)的影響,然后分析具體的襯底表面,引入晶向、表面覆蓋率以及表面碰撞粘著系數(shù)等參數(shù),并進(jìn)一步計(jì)算沉積速率,從而完成在動力學(xué)控制的沉積條件下的生長率的計(jì)算,沉積過程動力學(xué)模擬系統(tǒng)由輸入模塊、計(jì)算模塊和輸出模塊組成,主要用于計(jì)算生長速率,
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以在GAAS襯底表面上用MOCVD進(jìn)行同質(zhì)外延來驗(yàn)證沉積過程動力學(xué)模擬系統(tǒng),反應(yīng)室生長區(qū)長度10cm,直徑3-5m,載氣密度0-08185kg/m,載氣流入速度9.5cm/s,反應(yīng)室壓力為1.01×10Pa,AsH3分壓為3.33×10Pa.TMGa分壓為18.27Pa,襯底表面晶向(110),模擬中考慮了氣相、固氣商圍3生長速率與溫度的關(guān)系相以及固相表面的反應(yīng),并考慮沉積襯底表面附近的薄邊界層對沉積過程的影響.
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