Определение параметров лимитирующих стадий химической реакции осаждения эпитаксиальных плёнок кремния

Лабораторная работа № 1

Определение параметров лимитирующих стадий химической реакции осаждения эпитаксиальных плёнок кремния

1.Цель работы: Знакомство с методикой  экспериментального исследования кинетики реакции осаждения пленки кремния, приобретение практических навыков его проведения и обработки полученных результатов.

2.Теоретическое обоснование и методика проведения эксперимента.

При изучении технологических процессов обычно исследуют механизм влияния параметров процесса на его выходные характеристики. Например, влияние температуры, концентрации реагента в парогазовой смеси (ПГС) , скорости подачи ПГС в реакционную камеру на скорость роста плёнки.

При проведении натурного эксперимента каждый его параметр может случайным образом колебаться в каких- то пределах как от опыта к опыту, так и во время самого процесса. Это обусловлено погрешностью самой установки параметров, точностью контрольных приборов, нестабильностью поддержания установленных параметров в ходе проведения  процесса. Всё это приводит  к разбросу результатов, а при соединении точек зависимость выглядит в виде ломаной линии, в то время как зависимости, определяемые физическими или химическими законами, обычно представляют монотонно меняющиеся кривые (за исключением особых точек, например фазовых переходов, где возможны скачкообразные изменения). Потому полученные результаты необходимо экстраполировать плавной кривой, максимально отражающей наблюдаемую зависимость. В ряде прикладных математических программ предусмотрены методы такой экстраполяции, позволяющие построить плавно изменяющуюся кривую, минимально отклоняющуюся от экспериментальных точек (например, такая процедура предусмотрена в MathCad ). В качестве иллюстрации можно сослаться на данные рис. 1а  и 1б, на которых соответственно проводилось по одному эксперименту в каждой точке (1а) и каждая точка как среднее из большого количества экспериментов (1б). В используемой программе предусмотрена возможность построения таких "идеализированных" кривых либо путем введения только номинальных значений параметров (все разбросы равны 0), либо проведением большого количества экспериментов в каждой точке- при проведении "натурных экспериментов" этот способ связан с увеличением трудоёмкости и временных затрат , а первый способ просто неосуществим.

                               а                                                                           б

Рис1. Зависимость скорости роста от температуры  : а - проведено по 1, б- по 30 экспериментов в каждой точке. Исходные режимы и разбросы параметров одинаковые.

Рис.3 .Зависимость скорости роста от

расхода при двух значениях температуры

Рассмотрим  протекание реакции термического восстановления SiCl₄  в атмосфере водорода в соответствии с механизмом, предложенным Брэдшоу, использовавшего основные положения теории пограничного слоя, разработанные в гидродинамике.

                            SiCl₄ + 2Н₂ = Si + 4HCl

Реакция происходит на поверхности кремниевой подложки и включает несколько стадий, главные- доставка реагента к поверхности за счет диффузии через пограничный слой, образующийся при обтекании подложки струёй ПГС (см рис.4) и реакция на самой поверхности.

Предполагается, что за пределами пограничного слоя концентрация реагента в ПГС равна исходной (С), температура равна температуре ПГС на входе в реактор; на поверхности подложки концентрация С_s , температура адсорбированного реагента равна температуре осаждения плёнки. х- толщина пограничного слоя. Видно, что при увеличении скорости газового потока толщина пограничного слоя уменьшается, уменьшается также разница в толщине диффузионного слоя.

                                                                   C                                             Q₁                           

                                                                                                                   Q₂ > Q₁

                                                           С_{s      D}  x

 Рис.4. Образование пограничного слоя при обтекании пластины потоком газа.

Так как реакция протекает на нагретой поверхности подложки, её скорость определяется двумя стадиями : скоростью доставки реагента к поверхности через пограничный слой V_d @ D  ^. (C - C_s)/x, где D - коэффициент диффузии реагента через пограничный слой.

На поверхности скорость роста определяется уравнением Аррениуса :

                               V_k =СA exp (-E/kT)                                                      ( 3 ),                      где Е- энергия активации, А- постоянная , могут быть определены экспериментально.

Суммарная скорость может быть определена из выражения:

1/V_{p =} 1/ V_d +1/ V_k                                                       ( 4 )

            При низких температурах скорость осаждения  будет определяться скоростью химической реакции (С_s стремится к С, скорость диффузионного потока уменьшается) V_p @ V_k Эта температурная область называется кинетической (расхождение между V_p  и V_k  не более 5-10 %).

            При высоких- C_s  стремится к 0, скорость реакции будет определяться диффузионной составляющей : V_p  @ V_d -диффузионная область, в области промежуточных температур скорость осаждения плёнки будет определяться соотношением ( 3 ).