הנדסת חשמל כימי (CVD) הוא אחד שיטות הייצור החשובות ביותר לייצור סרטים דקים וציפויים על פני מוליכים למחצה, אופטיקה, אחסון אנרגיה, ומרחב. כמו גדלים קיבולת תכונה להדק דרישות חומריות, הצורך במודלים חיזוי מדויק של תהליכי CVD מעולם לא היה גדול יותר.

יסודות הנתונים התרמודינמיקה בקורות חיים

בליבה, התרמודינמיקה מכתיבת אם תגובה כימית נתונה יכולה להמשיך באופן ספונטני ובאיזו מידה. בקורות חיים, מולקולות מבשר מועברות למצע מחומם שבו הן עוברות הדבקה או תגובה כדי להפקיד סרט מוצק.כוחות הנהיגה לתגובות אלה מוגדרים על ידי קומץ פרמטרים תרמודינמיקה:

  • (FLT:0) גל אנרגיה חופשית ( ⁇ G) ⁇ FLT:1; קובע את ספונטניות התגובה. a שלילי ⁇ G מציין נתיב מחיקה חיובי, בעוד ⁇ G חיובי מרמז על מחסום איזון שעשוי לדרוש טמפרטורה גבוהה יותר או כימיה חלופית.
  • (FLT:0)Enthalpy ( ⁇ H)FirLT:1; אמצעים לספוג חום או שוחרר במהלך התגובה. תגובות Exthermic (negative ⁇ H) יכול להוביל לאפקטי חימום מקומיים; תגובות אנדרמימיות (חיוביות ⁇ H) עשויים לדרוש קלט אנרגיה חיצוני כדי לעמוד בקצב של פיזור.
  • (ב) ⁇ :0) ,Entropy ( ⁇ S)FLT:1; משקף את השינוי בהפרעה. התגובות המייצרות תוצרי לוואי של גז (למשל, HCl או H2) בדרך כלל מגבירות את האנטרופיה, שינוי איזון כלפי מוצרים בטמפרטורות גבוהות.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

באמצעות פרמטרים אלה, החוקרים בונים את קבועי ה-FLT:0 (K equilibriums) (K equeFLT:1 עבור כל תגובה רלוונטית במערכת.קבוע שיווי המשקל מתייחס ללחצים החלקיים (או פעילויות) של מוצרים ומטפלים בשלב נתון, המאפשר חיזוי של הרכב גז-phase היווצרות יציבה.

פרדוקסים של התרמודינמיקה והמדידה שלהם

מודלים מחדש של CVD תלוי בנתונים מדויקים של קלט תרמודינמיקה. פרמטרים מרכזיים כוללים:

לחץ Vapor

(ו) לחץ על נתונים עבור מבשרים הוא חיוני לתכנון מערכות משלוח, במיוחד בנוזל או קוד מוצק CVD. אם יש לחץ נמוך מדי בטמפרטורה בועות סבירות, תחבורה לא מספקת למתקן מתרחשת.conversely, גבוה מדי לחץ דם יכול להוביל לתוספת יתר של יותר ומבנה חלקיקים.

יכולת חום ויציבות תרמית

יכולת החום (C p) של גזים ו מוצקים משפיע על פרופילי טמפרטורה בכור. Accurate C p נתונים מאפשר דינמיקת נוזל חישובית (CFD) מודלים לחיזוי אזורי חם וזמני מגורים. סורקים שונים (DSC) בשילוב עם ניתוח תרמוגרמטרי (TGA) מניב C p ערכים ופירוקים - קריטי עבור בחירת מברקים שאינם מניחים בשלב מוקדם של גז.

Enthalpies ו-Free Energyes

(ה) ⁇ H f ° ו-S ° ערכים מופרשים במאגרי מידע כמו FLT:0 (thermoData Engine EnginesFLT:1 (TDE) או S ° (FLT:2Journal of Physical and Chemical Reference DataFLT 3:0 for Affair, ,FLT:4quantum) או Gold (למשל, תיאוריה דחיסות מדויקת של תאים) באמצעות מדדים מדויקים למדי (Creditual Retraation)

מודלים של תהליכי CVD עם הנתונים הירומודינמיקה

ברגע שתכונות תרמודינמיקה של כל המשיבים, ביניים ומוצרים ידועים, ניתן לבנות מודלים של איזון מקיף.מודלים אלה לענות על שאלות בסיסיות: מה הם השלבים המוצקים היציבים תחת T ו- P? איזה שפרדים מכל מיני גז קיימים?

שלב Diagrams ו Equilibrium Calculations

(ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

חוקרים ב-FLT:0 NASA גלן מרכז המחקר של גלן 1FLT (NNSA גלן 1) השתמשו בדגם תרמודינמי בעיצוב ציפויי CVD עבור להבים טורבינות.על ידי חישוב אזור היציבות של שלב עבור ציפויי ההפריום (HfC) הם זיהו את יחס C / Hf אופטימלי וטמפרטורה deposition כדי למנוע היווצרות של שלב Hf2O, המשתרע על פני חיים מתחת לטמפרטורות קיצוניות.

אפשרויות ל-Digital Selection and Decomposition Pathways

הנתונים התרמודינמיקה עוזרים לבחור מבשרים כי להיפטר ללא להשאיר זיהומים.לדוגמה, בקביעת הטיטאנוניום nitride (TiN) באמצעות TiCl4 ו- NH3, ניתוח תרמודינמי מגלה כי המוצר HCl הוא יציב מאוד; כדי להניע את התגובה קדימה, עודף NH3 או לחץ מופחת הוא צורך.

אופטימיזציה של תנאי

קבוע Equilibrium ניתן לבטא כפונקציות של טמפרטורה באמצעות משוואה ואן לא Hoff.עבור תגובה חדירות נתונה, פיזור לוג (K eq) לעומת 1 / T מניב קו ישר המדרונות שלו מציין את השינוי הניפי.מעבדים משתמשים מזימה כזו כדי לקבוע את הטמפרטורה שבה המרה עולה על 95% ללא יצירת פיזור גזי-הגז בלתי-מסוגל, בדומה למולקולות (כלומר, SiVD) הן יעילות נמוכה יותר.

שילוב עם Kinetic Modeling

בעוד שהנתונים התרמודינמיים מציבים את גבולות האפשרות, תהליכים אמיתיים של CVD הם לעתים קרובות מוגבלים באופן קיננטי – כלומר שיעור המחיקה נשלט על ידי שיעורי התגובה על פני השטח ולא על ידי איזון תרמודינמיקה.

(ב) [ה]:0Microkineticמודלים FLT:1] משלבים קבועות תגובה על פני השטח שמקורן בכימיה קוונטית ותאוריה של מצב מעבר.הכוח המניע התרמודינמי ( ⁇ G) מופיע במשוואות קצב דרך המאזן, הקובע את קצב התגובה קדימה והפך של ננומטר תגובה לאחור באמצעות איזון מפורט.

טכניקה נוספת חזקה היא דינמיקה של נוזל נוזלי (CFD) עם קינטיקה כימית משולבת קינטית אלקטרו-מגנטית 1 (המיסים המסחריים כגון FLT:2ANSYS FluentFLT 3 ו-FLT:4 OpenFOAMFLT:5 מאפשר למשתמשים לייבא מסדי נתונים תרמודינמיקה (למשל, תבנית CHEMKIN) המתארת יכולות חום, סטנדרטיות, משוואות סטנדרטיות, וחיזוי של חומרים של מינרלים אחידים, כולל חומרים חד-דימיים, באופן קבוע, באופן קבוע, כולל חומרים, משוואות חום.

מחקרים: הנתונים הירודינמיקה בפעולה

סיליקון CVD עבור Microelectronics

אפילימי מ SiH4 או SiH2Cl2 הוא אולי מערכת CVD המלומדת ביותר.פיתוח תהליכים מוקדם מבוסס על חישובי איזון תרמודינמיים כדי למפות את מערכת Si-H-H-Cl ולהימנע מתחריטים לא רצויים על ידי HCl. יותר לאחרונה, הצגת סרטים SiGe דרשה נתונים תרמודינמיים עבור GeH4 ומקביליה הכלויים שלה.

גליום Nitride MOCVD

גליום ניטרד (GaN) ו ⁇ ו (InGaN, AlGaN) הם קריטיים עבור LEDs ואלקטרוניקה כוח. Metal-Orocic CVD (MOCVD) משתמשת במבשרים כמו trimethylgallium (TMGa) ו-Ammonia. Ammonia decomposition הוא גבוה מאוד, ומדישובים תרמודינמיקה מראה כי בטמפרטורות אופייניות (1000-1-100 ° C), רק חשפו רק שבריר קטנה של N3C) ל-H1C, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, כלומר, לעומת זאת, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, כלומר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 H3HMAC, 000 של פחמן-HMAC, 000 גבוה יותר, למעשה, למעשה, 000 של פחמן-HMAC, 000 גבוה יותר, 000 של פחמן-HMAC, 000 של פחמן-HMAC, למעשה, 000 של פחמן-HMAC, 000 של פחמן-HMAC, 000 של פחמן-HMAC, 000 גבוה יותר,

יהלומים כמו פחמן (DLC) מתקפלים

סרטי DLC משמשים נרחב בכוננים קשיחים דיסק ורכיבי רכב. Plasma-enhanced CVD (PECVD) של DLC משתמשת גזי פחמן (למשל, CH4, C2H2) בשחרור RF. בעוד פלזמה מציגה רמות גבוהות מאוד של יחסי תערובת DLCic, נתונים תרמודינמיים עדיין מכתיבים את יציבות של שלב פחמן אחר.

אתגרים ומגבלות

למרות עוצמת הנתונים התרמודינמיים, כמה מכשולים מגבילים את היישום:

  • (FLT:0) דיוק ושלמות של נתונים:1: עבור הרבה מבשרים חדשים (למשל, מקורות מתכת-אורגניים מתקדמים ללא חמצן), נתונים תרמודינמיקה ניסיוניים הם דלים. תחזיות כימיה קוונטיות יכולות לשמש פונדקאית אך עדיין לשאת אי-ודאות של 3-10 kJ / mol, אשר יכול לשנות את הגבולות בשלב על ידי עשרות מעלות צלזיוס.
  • (FLT:0)Complex Multi-species אינטראקציה בין מספר 1 ל: אטמוספירה אמיתית של CVD מכילה עשרות מינים ביניים (רדיקלים, תוספות, oligomers) שתכונות תרמודינמיקה שלהם אינן ידועות.
  • (FLT:0) תנאים שאינם-קליביטיום פועלים רחוק ממאזן הנתונים הירואמונמיים, ואז מספקים רק התייחסות – קינטיקה ותחבורה לשלוט.מודלים חייבים לבחור בקפידה בעת החלת הנחות או עם פותרים קינטיים.
  • שינויים דידקטיים במהלך depositionFIRLT:1: ככל שהסרט גדל, הרכב משטח משתנה, ואת הפעילות התרמודינמית האפקטיבית של החומר המופקד עשוי להיות שונה מהשלב הגדול. סרטי ננומטרי להציג תכונות תרמודינמיקה תלויות בגודל (למשל, עלייה בסולולה עקב אנרגיה על פני השטח), אשר אינם נתפסים במאגרי נתונים סטנדרטיים.

כיוונים עתידיים

התקדמות בשיטות חישוביות וניסוייות מתגברות בהתמדה על המגבלות הללו:

  • (ב) [15] , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) Machine Learning potentialssFLT:1: פוטנציאל רשת נילי המוכשר על נתונים כימיה קוונטית יכול לחזות ⁇ G ו ⁇ H עבור תצורה מולקולרית קרוב ל- First-princip דיוק.מעודכן על בסיס נתונים של FLT:2PDB-GTxtime DatasetFLT 3, דגמים אלה עכשיו מתאימים דיוק של CBS-B3 (2-J) תהליך הערכה שברירית') בזמן סימולציה בזמן סימולציה בזמן סימולציה בזמן אמתית.
  • (FLT:0in situ ניטור ו- Close-loop Control RuleFLT:1): כורים עתידיים CVD ישלבו מודלים תרמודינמיים עם חיישנים בזמן אמת (ספקטרום ספקטרוסקופי, ספקטרומטריה המונית, בדיקות טמפרטורה סיבים אופטיים). אלגוריתמים הסתגלות יתאים אלגוריתמים יתאים את הזרמים והטמפרטורה המבוססים על הסטייה הנצפה מתחזיות, ביעילות ניתנות לזיהומים ללא תנאי חירום או סחף.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם ניתוח מחזור חיים של LT:1; ככל שקיימות הופכת להיות רבת ערך, נתונים תרמודינמיים ישמשו לא רק כדי לייעל את המחיקה, אלא גם למזער צריכת אנרגיה ובזבוז.לדוגמה, בחירת מבשרים עם ⁇ H f ° נמוך (ללא אנרגיה כדי לייצר) ועיצוב תהליכים הפועלים בטמפרטורות נמוכות יותר של פחמן של ייצור CVD.

ההסתמכות על נתונים תרמודינמיים מדויקים רק תרחיב את קורות החיים של CVD משתרעת אל גבולות חדשים - חומרים דו-ממדיים, סינתזה קוונטית, ואריזות מיקרו-אלקטרוניקה עם דיוק רב-שכבת אטומי. ניסיוניים ומודלים אשר שולטים בכמויות בסיסיות אלה יהיו מצוידים ביותר כדי לחדש עיצובים תהליכים כי הם יעילים ואמינים.