Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Курсовая работа по дисциплине:
«Физико-химические основы технологии материалов электронной техники»
Вариант 05-03
Выполнила
группа 8208
Преподаватель
2011 г.
Содержание
Основные теоретические сведения ……………………………………………………...…..3
1.1 Расчет констант равновесия …………………………………………………………......5
1.2 Определение степени превращения в химической системе……………………….…..6
1.3 Расчет зависимости парциальных давлений газообразных агентов ………….….…...7
1.4 Расчет температурных зависимостей ΔG2(Т, а) и ΔG3(Т, а) для заданных а ……….…9
1.5 Определение области равновесия газовой фазы и требуемой стехиометричной
твердой фазы…………………………………………………………………………………10
2.1 Построение зависимости коэффициента диффузии и распределения концентраций примесей……………………………………………………………………………………....11
Вывод………………………………………………………………………………………….14
Использованная литература………………………………………………………………….15
Основные теоретические сведения.
Процессы осаждения из газовой фазы полупроводниковых, диэлектрических и проводящих слоев обладают рядом преимуществ по сравнению с методами вакуумного осаждения, которые могут казаться более простыми и технологичными. Применение газовой эпитаксии обеспечивает высокую производительность процесса осаждения и структурное совершенство слоев, достигаемое благодаря равновесному термализованному режиму осаждения компонентов и газовому травлению подложек.
Высокой эффективностью обладают технологические процессы восстановления галогенидов (хлоридов, фторидов, бромидов, иодидов) водородом. Наряду с галогенидами применяются технологические процессы восстановления металлорганических соединений химических элементов. Наибольшее распространение получили газотранспортные химические реакции (ГТХР) с участием хлоридов, например, процесс получения эпитаксиальных полупроводниковых слоев восстановлением тетрахлорида кремния (SiCl4).
В реальных условиях при температурах 1150 – 1250оС эта реакция сопровождается аналогичными газофазными реакциями, в правой части которых вместо Si(тв) стоят газообразные продукты – дихлорид SiCl2 и трихлорсилан SiHCl3.
Термодинамические данные химической системы Si – H – Cl представлены в таблице 3 (см. разд. 4). В этой же таблице представлены термодинамические данные для других химических систем, которые необходимы для выполнения заданий, связанных с термодинамическим анализом газотранспортных химических реакций.
Метод ГТХР применяет химический транспорт труднолетучих химических компонентов, которые с помощью обратимой гетерогенной реакции переводятся в зоне источника из твердой фазы в газовую, а затем в зоне синтеза происходит обратный перевод продукта реакции из газовой фазы в твердую. При этом синтез требуемой твердой фазы осуществляется на поверхности подложки, что приводит к эпитаксиальному наращивания монокристаллических слоев полупроводников с высокой степенью морфологического, структурного и электрофизического совершенства. С этой целью в газовый поток, создаваемый за счет газа - носителя (водорода H2 или инертного газа), вводится так называемый транспортный агент. Его основная функция - осуществлять травление твердого полупроводникового материала с образованием газообразных продуктов реакции, переносимых общим потоком из зоны травления в зону осаждения.
Примером применения ГТХР в открытой проточной камере является хлоридный метод эпитаксии арсенида галлия в системе GaAs – AsCl3 – H2. В реактор подается газ-носитель H2, насыщенный парами AsCl3
Взаимодействие между водородом и хлоридом мышьяка во входной зоне дает газо-образные продукты HCl и As4, которые поступают в зону источника, содержащую лодочку с жидким галлием. Здесь газообразный мышьяк насыщает расплав галлия с образованием на его поверхности твердого слоя GaAs. Таким образом, химическая реакция имеет следующий вид:
В зоне источника реакция смещена вправо, в сторону газообразных продуктов. Поскольку реакция является эндотермической, то кристаллизация арсенида галлия на подложке происходит при пониженной относительно источника темпратуре
Диффузионная задача с неограниченным источником
Стадии загонки примеси соответствует модель неограниченного поверхностного источника, и на данной стадии справедливы следующие начальные и граничные условия:
(3.4)
Решение уравнения (3.2) имеет следующий вид:
где С0 – поверхностная кон-центрация примесных атомов, обеспечиваемая внешней средой с неограниченным количеством примеси.
Часть 1. Химическое осаждение GaP из газовой фазы в системе GaP-H2O-H2
1.1 Расчет констант равновесия
Первоначально следует записать наши газотранспортные реакции:
1. 2GaP+H2O=H2+Ga2O+P2
2. 
3. 
Затем для каждой реакции вычислю 
,
– стандартный тепловой эффект, стандартную энтропию. Так как мы работаем в первом приближении, то будем считать, что
В итоге получаем для 1 реакции:
2GaP+H2O=H2+Ga2O+P2
=-356+144-2*(-88)-(-241.8)=205.8
= 130.7+218.1-2*15.2-188.8=129.6
Для 2 реакции:
= 
=
Для 3 реакции:
= 2*5.6+144-2*(-88)=331.2
=2*40.8+218.1-2*15.2=269.3
Затем построим графики зависимостей констант равновесия от температуры.
,
где 
Рис.2 Зависимость констант равновесия от температур
1.2 Определение степени превращения в химической системе.
Для того, чтобы определить степень превращения, нужно построить график зависимости ее от температуры:
Рис. 3 Зависимость степени превращения от температуры для 1 реакции
Рис. 4 Зависимость степени превращения от температуры для 2 реакции
Рис. 5 Зависимость степени превращения от температуры для 3 реакции
1.3 Расчет зависимости парциальных давлений всех газообразных агентов от температуры и относительной влажности.
Общее давление, при котором происходит газотранспортный химический процесс равен Р, тогда сумма парциальных давлений газовых компонентов будет равна:
Для водорода :
|
Рис.6 Зависимость парциального давления от температуры и относительной влажности для водорода
Для воды:
|
Рис.7 Зависимость парциального давления от температуры и относительной влажности для воды
Для оксида галлия:
|
Рис.8 Зависимость парциального давления от температуры и относительной влажности для оксида галлия
1.4 Расчет температурных зависимостей ΔG2(Т, а) и ΔG3(Т, а) для заданных а
Для термодинамической оценки возможности подавления конкурирующих реакций необходимо рассчитать их изобарный потенциал ΔG для давлений в системе, полученных из расчета состава газовой фазы, созданного основной реакцией (1). Такую газовую фазу принято называть стехиометрической. Уравнение Вант-Гофа для конкурирующих реакций принимает следующий вид:
Для реакции 2:
|
Рис.9 Зависимость изобарного потенциала от температуры и относительной влажности для 2 реакции
Для реакции 3:
|
Рис.10 Зависимость изобарного потенциала от температуры и относительной влажности для 3 реакции
1.5 Определение области равновесия газовой фазы и требуемой стехиометрической твердой фазы
Для того, чтобы найти эту область, нужно построить график зависимости температуры от относительной влажности. Для этого на Рис. 9 и 10 находим точки пересечения с 0 и откладываем их на оси у:
Рис.11 Область равновесия газовой фазы и требуемой стехиометрической твердой фазы
Часть 2. Диффузионное легирование полупроводников.
2.1 Построение зависимости коэффициента диффузии от температуры
В нашем случае фосфор будет являться донором, а бор – акцептором. Считаем, что диффузия ведется из неограниченного источника.
1. Расчет в 1 режиме диффузии
Тд=1100оС, tд=2ч., Та=1200оС, ta=1ч
Коэффициент диффузии D выражается в соответствии с законом Аррениуса:
Для доноров коэффициент равен 1.2*10-16, для акцепторов - 7.98*10-29
Коэффициент диффузии для стандартной температуры, при энергии активации доноров, но при температуре диффузии акцепторов равен 3.13*10-15
Затем нужно построить график распределения примесей. Будем пользоваться формулами:
|
|
Рис.12 Распределение доноров и акцепторов
Затем посмотрим общее распределение примесей. Для этого нужно воспользловаться формулой:
|
Рис.13 Общее распределение примесей
По данной зависимости можно определить глубину залегания, это есть пересечение графика с нулем. Итого x1=2.4*10-6, x2=2.3*10-5
2. Расчет во 2 режиме диффузии
Тд=1250оС, tд=1ч., Та=1100оС, ta=2ч
Для доноров коэффициент равен 1.3*10-14, для акцепторов - 1.4*10-30
Коэффициент диффузии для стандартной температуры, при энергии активации доноров, но при температуре диффузии акцепторов равен 1.2*10-16
Рис.14 Распределение доноров и акцепторов
Рис.15 Общее распределение примесей
Глубина залегания x=3.25*10-5
Рис.15 Общее распределение примесей
Глубина залегания x=3.25*10-5
Вывод.
В ходе выполнения курсового проекта были рассчитаны константы равновесия для всех 3 газотранспортных реакций. И построены графики их зависимостей от температур. Как видно из этих графиков, значения констант растут вместе с увеличением температуры. Также была построена зависимость степени превращения от температуры и относительной влажности. По ней видно, что чем больше влажность, тем больше значение степени превращения при той же температуре. Далее была построена зависимость парциального давления от температуры и относительной влажности для водорода. Было выявлено, что для водорода чем больше относительная влажность, тем ниже значение парциального давления; для воды чем больше относительная влажность, тем больше парциальное давление; для оксида галлия результаты весьма странные: минимуму влажности соответствует минимум давления, среднему значению влажности соответствует максимум давления, максимальному значению влажности соответствует второе по величине значения давления. Были построены зависимости изобарного потенциала от температуры и относительной влажности для 2 и 3 реакций. Для 2 характерно то, что максимум потенциала достигается при минимальном значении влажности при одном и том же значении температуры, с ростом оной растет и потенциал.
Для 3 очевидно, что при увеличении температуры увеличивается и значение потенциала, максимуму же влажности отвечает максимум потенциала. Были рассчитаны коэффициенты диффузии для 1 режима: для доноров 1,2*10-16, для акцепторов 7,98*10-29. Глубина залегания равна 2,4*10-6 и 2,3*10-5. Для 2 режима для доноров 1,3*10-14, для акцепторов 1,4*10-30. Построены зависимости коэффициентов от температура. С ростом температуры величина коэффициента также возрастает.
Использованная литература
1. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Физико-химические основы технологии материалов и изделий микроэлектроники»/ Сост.: , , ; СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, 2004. - 32 с.
2. Интернет (извините, я не помню ссылок)
