Процессы массопереноса

В качестве отправной точки для механизма течения газа рассмотрим число Рейнольдса:

Число Рейнольдса - безразмерный параметр, описывающий характер течения газа в реакторе:

, где

p - плотность газа,
m - вязкость,
D_r - диаметр реакторной трубы,
v - скорость течения газа.

Если D_r составляет несколько сантиметров, v - несколько десятков сантиметров в секунду, то Re<2000 - ламинарное течение газа в реакторе. В этом случае около стенок реактора формируется пограничный слой с уменьшенной скоростью течения газа. Толщина слоя:

, где

x - расстояние вдоль оси реактора. Газ - носитель, обычно используемый при эпитаксии - водород: Re примерно равно 100.

На следующем рисунке показано, что пограничный слой образуется над пьедесталом и стенками на входе в реактор.

Рис. 1. Образование пограничного слоя в горизонтальном реакторе

По мере продвижения слоя вдоль реактора его толщина увеличивается вплоть до полного смыкания. Причина полного смыкания пограничного слоя не всегда небольшая длина реактора. Через пограничный слой исходные реагенты переносятся из газового потока к поверхности, а продукты реакции диффундируют от поверхности подложки и удаляются основным потоком газа.

Поток реагентов от поверхности подложки и обратно:

или , где

• n_газ и n_пов- концентрация реагентов в газовом потоке и вблизи поверхности соответственно,
• D - коэффициент диффузии реагента в газовой фазе, являющийся функцией давления и температуры,
• J - поток реагентов, характеризующий количество молекул, проходящее через единицу площади за единицу времени,
• dn/dy - градиент концентрации реагентов.

При конструировании реактора в первую очередь должно быть учтено влияние величины у на процессы массопереноса. Поскольку величина y, определяющая поток реагентов к поверхности, обратно пропорциональна скорости потока газа, то для достижения однородности скорости роста эпитаксиальной пленки по длине реактора при заданной температуре необходимо подбирать оптимальное значение толщины пограничного слоя, согласованное с изменением температуры и концентрации реагентов. Этого можно достичь, например, путем изменения потока газа в реакторе (т.е. числа Re). Таким образом, изменяя число Рейнольдса, можно варьировать скорости потока газов и скорость роста пленки одновременно и добиться условий равномерности (см. рис. 2).

Рис. 2. Зависимость скорости роста пленки от расстояния вдоль подложкодержателя.

Например, для трубы диаметром D = 20 см обычная скорость течения газа составляет v = 50 см/с, а значение y = (D·x/Re)^1/2 меньше, чем половина диаметра трубы (x - расстояние вдоль оси реактора).

Для получения монокристаллической пленки необходимо достаточно сильно нагреть пластину так, чтобы осаждающиеся атомы кремния могли перемещаться в положения, в которых бы они образовывали с подложкой ковалентные связи. При этом атомы должны успеть продолжить монокристаллическую решетку до того, как они будут накрыты следующими слоями осаждающихся атомов. Это происходит при температурах процесса от 900 °С до 1250 °С. Обычно скорость роста эпитаксиальной пленки составляет величину порядка нескольких микрометров в минуту.