Диссертация (1143641), страница 25
Текст из файла (страница 25)
В заключенииобсуждаются вопросы практического использования микрореакторов с газовой фазой.5.1. Моделирование химического микрореактора для осаждения кремнияВ качестве исходной химической системы для осаждения кремния из газовой фазы былавыбрана модель, описанная в работах [100, 101]. Для этой системы существует предложенныйдетальный механизм гомогенных и гетерогенных процессов, который с достаточно хорошимкачеством описывает экспериментальные результаты. Он и будет использоваться вматематической модели. Геометрия микрореактора, параметры сетки и другие настройкииспользуются такие же, как и в численном эксперименте №1, за исключением следующихизменений, внесенных в модель для того, тчобы соответствовать экспериментальным условиям,описанным в [100, 101]:- Давление в системе повышено до P=26660 Па;- Температура подложки Tsub= 650 ºС;- В качества осаждаемого вещества выступает кремний, со следующимипараметрами: M(Si)=28 г/моль, ρ(Si)=2247 кг/м3;- Параметры используемых гомогенных и гетерогенных химических реакцийпредставлены в таблице 5.1.1 и 5.1.2 соответственно;-Состав входной газовой смеси: ω0(SiH4) = 0,01, ω0(N2) = 0,99;135Таблица 5.1.1.
Параметры гомогенных химических реакцийРеакцияApTаctПорядокПорядокпрямойобратнойреакцииреакцииSiH4 <=> SiH2+H23,12·1091,7027550111Si2H6 <=> SiH4+SiH218,10·1091,7025280111Si2H6 <=> H3SiSiH+H29,09·1091,8027290111Si3H8 <=> SiH2+Si2H66,97·10121,0026525111Si3H8 <=> SiH4+H3SiSiH3,73·10121,0025605111H3SiSiH+H2 => SiH2+SiH4139,41·100,00206111--SiH2+SiH4 => H3SiSiH+H294,30·1091,10291611--H3SiSiH+SiH4 => Si2H6+SiH21,73·10140,40448111--Si2H6+SiH2 => H3SiSiH+SiH42,65·10150,10426711--H3SiSiH <=> H2SiSiH22,54·1013-0,20271011-H3SiSiH <=> Si+SiH41,42·10130,5428980111Si+Si2H6 <=> SiH2+H3SiSiH1,30·10150,0063451111Примечание: Размерности параметров реакции даны в системе моль, см, с, К.Таблица 5.1.2.
Параметры гетерогенных химических реакцийГетерогенная химическая реакцияКоэффициент прилипания ( )SiH2 => Si(B)+H20,7Si =>Si(B)1,0На рисунках 5.1.1 – 5.1.3 визуализировано распределение основных газовых компонентовв микрореакторе. Концентрация исходного вещества SiH4 уменьшается за счет протеканиягомогенных химических реакций, которые приводят к образованию SiH2 и Si2H6. КомпонентSiH2 является основным веществом для осаждения кремния, поэтому на границах реактора егоконцентрация падает. Общая картина распределения основных компонентов аналогична тому,что уже было рассмотрено в главе 4. Исходному компоненту A можно сопоставить SiH4, апромежуточному компоненту A’ - SiH2.
Это подтверждает тот факт, что рассмотренные ранееосновныезависимостидляпроцессамикрореакторногозакономерности, которые выявлены и описаны в главе 4.осажденияимеютобщие136Рисунок 5.1.1 – Визуализация распределения массовой доли SiH4 по объему микрореактораРисунок 5.1.2 – Визуализация распределения массовой доли SiH2 по объему микрореактораРисунок 5.1.3 – Визуализация распределения массовой доли Si2H6 по объему микрореактораНа рисунке 5.1.4(а) показан график распределения скорости осаждения вдоль радиусамикрореактора. Она в данном случае лимитируется диффузией поперек потока к подложке.Слабая локализация осаждения и относительно малая скорость объясняются высокойконцентрацией SiH4, на выходе из реактора, что явлется следствием его высокой концентрациина входе и малой скорости гомогенной химической реакции.
С целью увеличения скоростиосаждения и усиления локализации, предлагается увеличить температуру, что ускорит распадSiH4. Для этого случая был проведен новый численный эксперимент, в котором температура137подложки и микрореактора была увеличена до 900 ºС. Профиль скорости осаждения в этомслучае показан на рисунке 5.1.4(б).(а)(б)Рисунок 5.1.4 – Распределение скорости осаждения при температуре: (а) 650 ºС; (б) 900 ºССкорость осаждения существенно увеличилась, а локализация улучшилась. Этоподтверждает правильность понимания основных зависимостей микрореактора.
Дальнейшееулучшение локализации осаждения связано с контролем распределения компонента SiH2 вреакторе. Можно предполагать, что нужно уменьшить скорость газового потока чтобыувеличить время пребывания. Вывод об ожидаемом улучшении локализации профиляосаждения можно сделать на основании результатов, представленных в разделе 4.3. Прогноз поизменению максимальной скорости осаждения сделать нельзя, поскольку химическая системадостаточно сложная, и невозможно заранее сказать как изменятся концентрации основныхкомпонентов при увеличении времени пребывания в реакторе.
Для подтверждения описанныхпредположений, был проведен численный эксперимент при тех же условиях (Тsub=900 ºС), но суменьшенной скоростью входного потока, которая стала равной 0,01 м/с. На рисунке 5.1.6показан профиль распределения скорости осаждения для этого случая.Рисунок 5.1.6 – Распределение скорости осаждения при скорости входного потока 0,01 м/с138Представленный график иллюстрирует правильность высказанных предположений о том,что уменьшение скорости потока улучшает локализацию осаждения. В данном случаемаксимальная скорость осаждения не уменьшилась, а напротив, увеличилась. Это можнообъяснить особенностью рассматриваемой химической системы, которая приводит кувеличению концентрации SiH2 при увеличении времени пребывания.Рассмотрев процесс локального осаждения кремния при начальных технологическихпараметрах, пользуясь полученными в главе 4 общими закономерностями в поведениимикрореактора, предложены изменения с целью улучшения локализации осаждения.Сравнительные профили распределения скорости осаждениядля трех рассмотренных случаев ииллюстрирующие приведенные изменения, показаны на рисунке 5.1.7.Рисунок 5.1.7 – Сравнение скорости осаждения при различных параметрах процессаИзначальная локализация области осаждения существенно улучшена путем увеличениятемпературы в микрореакторе и уменьшения скорости потока.
Приведенные результатыпоказывают, что для конкретных химических систем для осаждения из газовой фазы,найденные и описанные в главе 4 общие закономерности поведения микрореактора остаютсясправедливыми и их можно использовать для оптимизации технологического процесса.5.2. Моделирования химического микрореактора для осаждения арсенида галлияВ качестве сторого примера рассмотрим процесс локального химического осажденияарсенида галлия в микрореакторе. Выбор обусловлен тем, что арсенид галлия является оченьважным материалом в современной электронике.
В частности, он находит применение в ВЧсистемах, изделиях фотоники, солнечных элементах [102]. И хотя существуют технологииформирования GaAs методами жидкофазной эпитаксии, сегодня все более популярнымистановятся газофазные процессы, среди которых есть технология химического осаждения [103,104, 105]. За основу мы взяли применяемый в промышленности, и уже исследовавшийся139процесс ХОГФ арсенида галлия из химической системы Ga(CH₃)₃ - AsH3 - H2.
Основныеусловия осаждения: давление 10 000 Па и температура подложки 1000 К описаны в [106, 107].Химическая модель протекающего процесса разработана в [107], модернизирована в [106]и успешно использовалась в [108]. Она показала хорошее соответствие результатовмоделирования и экспериментов, поэтому можно считать, что она с достаточной точностьюописывает процесс химического осаждения их газовой фазы арсенида галлия.
Переченьиспользуемых в модели гомогенных и гетерогенных реакций приведен в таблицах 5.2.1 и 5.2.2Таблица 5.2.1. Параметры гомогенных химических реакций осаждения GaAsРеакцияApTаctTMGA => DMGA +CH31,6·1017030057DMGA => MMGA + CH32,5·1015017883CH3+H2 => CH4+ H1,2·10906300AsH3 + CH3 => AsH2 + CH49,7·1080900TMGA + H => DMGA + CH45,0·101005051DMGA + H => MMGA + CH45,0·1010050512H + M => H2+ M1,0·1013002 CH3 => C2H62,0·101000CH3 + H + M => CH4+ M2,4·1019-10TMGA + CH3 => ADDUCT + CH42,0·10805051MMGA => Ga + CH31,0·1016039052Примечание: В таблице используются следующие обозначения химических компонентов:TMGA – Ga(CH3)3, DMGA – Ga(CH3)2, MMGA – Ga(CH3), ADDUCT – GaC3H8, M – любаямолекула, не участвующая в данной химической реакции.
Размерности параметров реакцииданы в системе кмоль, м, с, К.140Таблица 5.2.2 Параметры гетерогенных химических реакций осаждения GaAsГетерогенная химическая реакцияApTаct, КH + openAs(S) => H-As(S)4,95·1090,50H + openG(S) => H-G(S)4,95·1090,50CH3 + openG(S) => CH3-G(S)1,27·1090,50CH3+ openAs(S) => CH3-As(S)1,27·1090,50MMGA + openAs(S) => MMG-As(S)5,37·1080,50DMGA + openAs(S) => MMG-As(S) + CH34,95·1080,50AsH + openG(S) => AsH(S)5,68·1080,50AsH2 + openG(S) => AsH(S) + H5,68·1080,50AsH3 + openG(S) => AsH(S) + H25,68·1080,50CH3+ H-As(S) => CH4 + openAs(S)1,26·1080,50CH3 + H-G(S) => CH4 + openG(S)1,26·1080,50H + CH3-As(S) => CH4+ openAs(S)4,94·1080,50H + CH3-G(S) => CH4 + openG(S)4,94·1080,50H-As(S) + CH3-G(S) => CH4 + openAs(S) + openG(S)1,00·10160,05051H-G(S) + CH3-As(S) => CH4 + openAs(S) + openG(S)1,00·10160,05051H-G(S) + H-As(S) => H2 + openAs(S) + openG(S)1,20·10160,010102CH3-G(S) + CH3-As(S) => C2H6+ openAs(S) + openG(S)1,00·10160,0101025,00·10170,0148015,00·10170,0101032AsH(S) => As2 + H2 + 2openG(S)1,00·10160,019681CH3 + AsH(S) => As(S) + CH41,28·1080,5101032As(S) => As2 + 2openG(S)1,00·10170,015155TMGA + openAs(S) => MMG-As(S) + 2 CH34,62·1080,50Ga + openAs(S) => Ga(S)5,90·1080,50Ga(S) + As(S) => openAs(S) + openG(S) + GaAs(B)1,10·1090,0505MMG-As(S) + AsH(S) => CH4 + openG(S) +openAs(S) + GaAs(B)MMG-As(S) + As(S) => CH3 + openG(S) +openAs(S) + GaAs(B)Примечание: индекс «S» обозначает адсорбированную фазу на поверхности, индекс «B»обозначает твердую фазу, компоненты openAs(S) и openG(S) обозначают адсорбированныйкомпонент с открытой связью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
