同質(zhì)外延的結(jié)構(gòu)和晶格匹配的異質(zhì)外延層相同
外延的基本物理過程
1.表面成核——對外延材料結(jié)構(gòu)有較大影響的階段是生長的初階段，這個(gè)階段叫成核。當(dāng)襯底表面只吸附少量生長物原子時(shí)，這些原子是不穩(wěn)定的，很容易掙脫襯底原子的吸引，離開襯底表面。所以，要想在襯底表面實(shí)現(xiàn)外延材料的生長，首先由欲生長材料的原子（或分子）形成原子團(tuán)，然后這些原子團(tuán)不斷吸收新的原子加入而逐漸長大成晶核。它們再進(jìn)一步相互結(jié)合形成連續(xù)的單晶薄層。
成核與生長過程示意圖
2.表面動(dòng)力學(xué)
反應(yīng)物到襯底后,通常發(fā)生下列過程:
①反應(yīng)物擴(kuò)散到襯底表面;
②反應(yīng)物吸附到襯底表面;
③表面過程（化學(xué)反應(yīng)、遷移及并入晶格等；
④反應(yīng)附加產(chǎn)物從表面脫附；
⑤附加產(chǎn)物擴(kuò)散離開表面。每個(gè)步驟都有特定的激活能，因此，在不同外延溫度下對生長速率的影響不同。
3.表面過程
①如果不考慮生長速率，僅從外延質(zhì)量來看上述過程③表面過程非常重要。
②沉積到襯底表面上的原子通常去尋找合適的位置落入，使得系統(tǒng)的總能量降至較低。對于實(shí)際表面，像表面臺階之類的表面缺陷是原子并入晶格的較佳位置。（見下圖）
4.生長機(jī)制
對于表面上存在許多淀積原子的情況，它們除了在表面處鍵合外，還相互結(jié)合以進(jìn)一步減少自由鍵的數(shù)目。外來的淀積原子不斷加入小的原子群并形成大的聚集體。顯然，當(dāng)這些原子團(tuán)繼續(xù)生長時(shí)，它們自己就被看作是提供高結(jié)合能位置的表面缺陷，在淀積過程中進(jìn)一步聚集原子生長。
5.異質(zhì)外延的生長模式
①島狀生長模式（Volmer-Weber模式）
被沉積物質(zhì)的原子或分子更傾向于自己相互鍵合起來，而避免與襯底原子鍵合，即被沉積物質(zhì)與襯底之間的浸潤性較差；金屬在非金屬襯底上生長大都采取這種模式。對很多薄膜與襯底的組合來說，只要沉積溫度足夠高，沉積的原子具有一定的擴(kuò)散能力，薄膜的生長就表現(xiàn)為島狀生長模式。
②層狀生長模式（Frank-Van der Merwe模式）
當(dāng)被沉積物質(zhì)與襯底之間浸潤性很好時(shí)，被沉積物質(zhì)的原子更傾向于與襯底原子鍵合。因此，薄膜從形核階段開始即采取二維擴(kuò)展模式，沿襯底表面鋪開。在隨后的過程中薄膜生長將一直保持這種層狀生長模式。
③層狀-島狀生長模式（Stranski-Krastanov模式）
在層狀-島狀中間生長模式中，在開始一兩個(gè)原子層厚度的層狀生長之后，生長模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。導(dǎo)致這種模式轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制比較復(fù)雜，但根本的原因應(yīng)該可以歸結(jié)為薄膜生長過程中各種能量的相互消長。
6.導(dǎo)致生長模式轉(zhuǎn)變的三種物理機(jī)制
1、雖然開始時(shí)的生長是外延式的層狀生長，但是由于薄膜與襯底之間晶格常數(shù)不匹配，因而隨著沉積原子層的增加，應(yīng)變能（應(yīng)力）逐漸增加。為了松弛這部分能量，薄膜在生長到一定厚度之后，生長模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。
2、在層狀外延生長表面是表面能比較高的晶面時(shí)，為了降低表面能，薄膜力圖將暴露的晶面改變?yōu)榈湍苊?，因此薄膜在生長到一定厚度之后，生長模式會(huì)由層狀模式向島狀模式轉(zhuǎn)變。
注：在上述三種模式轉(zhuǎn)換機(jī)理中，開始的時(shí)候?qū)訝钌L的自由能較低；但其后，島狀生長的自由能變低了，島狀生長反而變得更有利了。
化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積乃是通過化學(xué)反應(yīng)的方式，利用加熱、等離子激勵(lì)或光輻射等各種能源，在反應(yīng)器內(nèi)使氣態(tài)或蒸汽狀態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在氣相或氣固界面上經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)沉積物的技術(shù)。
簡單來說就是：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi),然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到基片表面上。
從氣相中析出的固體的形態(tài)主要有下列幾種：在固體表面上生成薄膜、晶須和晶粒，在氣體中生成粒子。
1.CVD技術(shù)的基本要求
為適應(yīng)CVD技術(shù)的需要，選擇原料、產(chǎn)物及反應(yīng)類型等通常應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)基本要求：
(1)反應(yīng)劑在室溫或不太高的溫度下是氣態(tài)或有較高的蒸氣壓而易于揮發(fā)成蒸汽的液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，且有很高的純度；
(2)通過沉積反應(yīng)易于生成所需要的材料沉積物，而其他副產(chǎn)物均易揮發(fā)而留在氣相排出或易于分離；
(3)反應(yīng)易于控制。
2.CVD技術(shù)的熱動(dòng)力學(xué)原理
所謂邊界層，就是流體及物體表面因流速、濃度、溫度差距所形成的中間過渡范圍。
上圖顯示一個(gè)典型的CVD反應(yīng)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)分解。首先，參與反應(yīng)的反應(yīng)氣體，將從反應(yīng)器的主氣流里，借著反應(yīng)氣體在主氣流及基片表面間的濃度差，以擴(kuò)散的方式，經(jīng)過邊界層傳遞到基片的表面，這些達(dá)到基片的表面的反應(yīng)氣體分子，有一部分將被吸附在基片的表面圖（b）。當(dāng)參與反應(yīng)的反應(yīng)物在表面相會(huì)后，借著基片表面所提供的能量，沉積反應(yīng)的動(dòng)作將發(fā)生，這包括前面所提及的化學(xué)反應(yīng)，及產(chǎn)生的生成物在基片表面的運(yùn)動(dòng)（及表面遷移），將從基片的表面上吸解，并進(jìn)入邊界層，然后流入主體氣流里，如圖(d)。這些參與反應(yīng)的反應(yīng)物及生成物，將一起被CVD設(shè)備里的抽氣裝置或真空系統(tǒng)所抽離，如圖（e）。
3.輸送現(xiàn)象
以化學(xué)工程的角度來看，任何流體的傳遞或輸送現(xiàn)象，都會(huì)涉及到熱能的傳遞、動(dòng)量的傳遞及質(zhì)量的傳遞等三大傳遞現(xiàn)象。
(1)熱量傳遞
熱能的傳遞主要有三種方式：傳導(dǎo)、對流及輻射。因?yàn)镃VD的沉積反應(yīng)通常需要較高的溫度，因此能量傳遞的情形，也會(huì)影響CVD反應(yīng)的表現(xiàn)，尤其是沉積薄膜的均勻性
熱傳導(dǎo)是固體中熱傳遞的主要方式，是將基片置于經(jīng)加熱的晶座上面，借著能量在熱導(dǎo)體間的傳導(dǎo)，來達(dá)到基片加熱的目的，如圖所示。以這種方式進(jìn)行的熱能傳遞，可以下式表示。
單位面積的能量傳遞
=
其中：
kc為基片的熱傳導(dǎo)系數(shù)，
△T為基片與加熱器表面間的溫度差，
△X則近似于基片的厚度。
l物體因自身溫度而具有向外發(fā)射能量的本領(lǐng)，這種熱傳遞的方式叫做熱輻射。熱輻射能不依靠媒介把熱量直接從一個(gè)系統(tǒng)傳到另一個(gè)系統(tǒng)。但嚴(yán)格的講起來，這種方式基本上是輻射與傳導(dǎo)一并使用的方法，如下圖。輻射熱源先以輻射的方式將晶座加熱，然后再由熱的傳導(dǎo)，將熱能傳給置于晶座上的基片，以便進(jìn)行CVD的化學(xué)反應(yīng)。下式是輻射能的傳導(dǎo)方程式。
單位面積的能量輻射=Er=hr（Ts1-Ts2）
其中：hr為“輻射熱傳系數(shù)”；
Ts1與Ts2則分別為輻射熱原及被輻射物體表面的溫度。
對流是第三種常見的傳熱方式，流體通過自身各部的宏觀流動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的過程。它主要是借著流體的流動(dòng)而產(chǎn)生。
依不同的流體流動(dòng)方式，對流可以區(qū)分為強(qiáng)制對流及自然對流兩種。
前者是當(dāng)流體因內(nèi)部的“壓力梯度”而形成的流動(dòng)所產(chǎn)生的；后者則是來自流體因溫度或濃度所產(chǎn)生的密度差所導(dǎo)致的。
單位面積的能量對流=Ecov=hc（Ts1-Ts2）
其中：hc即為“對流熱傳系數(shù)”
(2)動(dòng)量傳遞
下圖顯示兩種常見的流體流動(dòng)的形式。其中流速與流向均平順者稱為“層流”；而另一種于流動(dòng)過程中產(chǎn)生擾動(dòng)等不均勻現(xiàn)象的流動(dòng)形式，則稱為“湍流”。
在流體力學(xué)上，人們習(xí)慣以所謂的“雷諾數(shù)”，來作為流體以何種方式進(jìn)行流動(dòng)的評估依據(jù)。它估算的方式如下式所示
其中d微流體流經(jīng)的管徑，ρ為流體的密度，ν為流體的流速，而μ則為流體的粘度。
基本上，CVD工藝并不希望反應(yīng)氣體以湍流的形式流動(dòng)，因?yàn)橥牧鲿?huì)揚(yáng)起反應(yīng)室內(nèi)的微?；蛭m，使沉積薄膜的品質(zhì)受到影響。
假設(shè)流體在晶座及基片表面的流速為零，則流體及基片（或晶座）表面將有一個(gè)流速梯度存在在，這個(gè)區(qū)域便是邊界層。邊界層的厚度δ，與反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及流體的流速有關(guān)，而可以寫為：
以 “雷諾數(shù)”來表示，可改寫為
式中，x為流體在固體表順著流動(dòng)方向移動(dòng)得距離面。
也就是說，當(dāng)流體流經(jīng)一固體表面時(shí)，下圖的主氣流與固體表面（或基片）之間將有一個(gè)流速從零增到ν0的過渡區(qū)域存在，即邊界層。
這個(gè)邊界層的厚度，與雷諾數(shù)倒數(shù)的平方根成正比，且隨著流體在固體表面的移動(dòng)而展開，如下圖所示。
CVD反應(yīng)所需要的反應(yīng)氣體，便必須通過這個(gè)邊界層以達(dá)到基片的表面。而且，反應(yīng)的生成氣體或未反應(yīng)的反應(yīng)物，也必須通過邊界層已進(jìn)入主氣流內(nèi)，以便隨著主氣流經(jīng)CVD的抽氣系統(tǒng)而排出。
(3)質(zhì)量的傳遞
如上所述，反應(yīng)氣體或生成物通過邊界層，是以擴(kuò)散的方式來進(jìn)行的，而使氣體分子進(jìn)行擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力，則是來自于氣體分子局部的濃度梯度。
CVD技術(shù)的分類
金屬有機(jī)氣相淀積（MOCVD）
金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）是從早已熟知的化學(xué)氣相沉積（CVD）發(fā)展起來的一種新的表面技術(shù)。是一種利用低溫下易分解和揮發(fā)的金屬有機(jī)化合物作為源物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積的方法，主要利用化合物半導(dǎo)體氣相生長方面。
在MOCVD過程中，金屬有機(jī)源（MO源）可以在熱解或光解作用下，在較低溫度沉積出相應(yīng)的各種無機(jī)材料，如金屬、氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和化合物半導(dǎo)體材料等的薄膜。
1.關(guān)于MOCVD的名字
在引用中，MOCVD還有其他一些名稱。不同的人喜歡不同的名字。這些名稱指的是同一種生長方法。
MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積)
OMCVD（有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積）
MOVPE(MO汽相外延)
OMVPE
AP-MOCVD（大氣MOCVD)
LP-MOCVD (低壓MOCVD)
2.MOCVD的特點(diǎn)
3.MOCVD與MBE對比
MBE：主要用于實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)。大規(guī)模生產(chǎn)效率不高
MOCVD：適用于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和大規(guī)模生產(chǎn)
