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研究生： 馬正杰
Ching-kit Ma
論文名稱： 矽烷/鍺烷在矽(100)-2x1 表面吸附反應機制之理論計算的研究
Theoretical Study of Surface Reaction of SiH4,Si2H6,GeH4 and Ge2H6 on Si(100)-2x1 surface : Mechanism and Kinetics
指導教授： 江志強
Jyh-Chiang Jiang
口試委員: 蔡大翔
none
王伯昌
none
林聖賢
none
洪儒生
none
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 化學工程系
Department of Chemical Engineering
論文出版年： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 146
中文關鍵詞： 分子軌域理論 、過渡態理論 、鍺甲烷 、鍺化矽 、矽甲烷
外文關鍵詞： molecular orbital theory, Ge2H6, tunn
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    • 摘要

    本文使用 ab initio 分子軌域計算，配合過渡態理論求得的反應速率常數，以尋找矽烷、鍺烷反應系統合成鍺化矽薄膜程序的主要反應發生途徑。有關量子化學計算，皆採用 B3LYP/6-31G[d] 方法再配合較大的基底函數( B3LYP/aug-cc-pVTZ )，對反應相關物種作單點能量計算，能量的部份皆考慮零點振動位能校正。此外，亦嘗試用 ONIOM 方法計算較大的團簇模型。本研究分別討論矽甲烷/鍺甲烷氣體分子及高矽鍺烷類分子吸附在矽(2x1)-100 表面上的反應，而矽(2x1)-100 表面將採用簡單的分子團簇模型( Si9H12 )。結果顯示矽乙烷在表面吸附反應，會使分子矽矽之間的鍵結斷掉，形成二個 SiH3 的型態，由於此反應機制能障很低(反應能障低於1 kcal/mol)，且分子吸附熱也比矽甲烷大，更適合在低溫下反應。至於反應速率常數計算，皆考慮量子穿隧效應的修正。計算結果顯示，相對於溫度及過渡態虛頻對量子穿隧效應的影響，一階及二階反應的能障差對量子穿隧效應的影響顯然是更不重要。在所有反應中，除了氣體脫氫的反應，鍺甲烷比矽甲烷快100倍之外，其他氣相和表面的反應，都是以矽烷類分子所主導反應，此計算結果與實驗推測結果相符。

    Modeling of chemical vapor deposition (CVD) processes requires knowledge of the gas-flow dynamics and chemical reaction occurring in the reactor. In order to go beyond simple growth rate predictions based on the lumped kinetics from incomplete experimental kinetic data , quantum chemistry techniques are used to investigate kinetics of chemical reaction involved in the adsorption of SiH4, GeH4 Si2H6, Ge2H6 on the Si (100) surface. Ab initio calculations have been used to determine the structures, energetics and vibration frequency of initial, final and transition states. All the geometries were optimized at B3LYP/6-31G(d) level and the energies were determined at B3LYP/aug-cc-pVTZ level. In addition, transition state theory with the correction of tunneling effect is used to do the kinetic evaluation. The results demonstrate the disilane molecule which adsorbs on the surface, because of a relatively high sticking coefficient, and a low activation energy for breaking the Si-Si bond to produce two SiH3, maybe the favorably pathway, which is in good agreement with the experimental prediction.

    目錄 頁次 中文摘要I 英文摘要II 致謝III 目錄IV 圖片索引VII 表格索引X 第一章 緒論 1.1 前言1 1.2 半導體的基本特性3 1.3 矽鍺與砷化鎵特性比較4 1.4 文獻回顧8 第二章 理論計算方法 2.1 量子化學13 2.1.1 薛丁格方程式13 2.1.2 多電子波函數15 2.2 計算化學的理論16 2.2.1 分子力學方法16 2.2.2 半經驗方法17 2.2.3 全初紿方法18 2.2.4 密度泛函理論方法19 2.3 量子計算方法19 2.3.1 Hartree-Fock 理論20 2.3.2 MP2 理論23 2.3.3 密度泛函理論23 2.3.4 B3LYP 理論26 2.3.5 AM1、PM3 半經驗計算方法27 2.3.6 基底函數組29 2.4 過渡態理論31 2.4.1 反應速率常數31 2.4.2 量子穿隧效應對反應速率常數影響33 2.5 Gaussian 98 套裝軟體計算37 2.5.1 幾何優選38 2.5.2 振動頻率38 2.5.3 輸入檔案範例38 2.5.4 B3LYP/6-31G[d] 計算方法與其他高階計算值的比較39 2.6 分子模擬的理論及用途41 2.7 本論文採用的計算方法42 2.8 團簇模型的選擇43 第三章 結果與討論49 3.1 SiH4 / GeH4 分子表面吸附反應50 3.1.1 表面氫原子解離和脫氫反應50 3.1.2 SiH4 / GeH4 分子在 Si9H12 表面吸附反應54 3.1.3 SiH4 / GeH4 分子在 Si15H16 表面吸附反應62 3.1.4 SiH4 / GeH4 分子在 Si23H24 表面吸附反應65 3.2 自由基在表面上的吸附反應68 3.2.1 SiH4 / GeH4 氣體分子氫原子解離和脫氫反應68 3.2.2 SiH2 / GeH2 自由基在表面上的吸附反應72 3.3 Si2H6、SiGeH6、Ge2H6分子表面吸附反應78 3.4 HSiSiH3、HGeGeH3、HSiGeH3、HGeSiH3分子表面吸附反應91 3.5 H3SiSiH2、H3SiGeH2、H3GeSiH2、H3GeGeH2分子表面吸附反應94 3.6 反應速率常數計算98 3.6.1 SiH4 / GeH4 氣體分子吸附在表面的反應速率常數計算100 3.6.2 Si2H6、SiGeH6、Ge2H6氣體分子吸附在表面的反應速率常數計算101 3.6.3 SiH2 / GeH2 自由基吸附在表面的反應速率常數計算105 3.6.4 氣相及表面反應總結106 3.7 模擬在矽基材上 Si1-xGex 長膜的反應路徑109 第四章 結論110 第五章 參考文獻112 附錄一 121 作者介紹146 圖片索引 頁次 圖 1-1 砷化鎵直接能隙和矽間接能隙圖5 圖 1-2 比較SiH4 → SiH2 + H2 與GeH4 → GeH2 + H2 的反應速率常數12 圖 1-3 SiH2 及 GeH2 分別與 SiH4 及 GeH4 的反應速率常數比較12 圖1-4 鍺甲烷的分壓對於 Si1-xGex 薄膜成長速率的影響10 圖 2-1 反應位能曲線圖32 圖 2-2 = -1214 cm-1 ，溫度( T )對穿遂效應校正因子( )作圖34 圖 2-3 一階反應位能曲線圖36 圖 2-4 二階反應位能曲線圖36 圖 2-5 矽甲烷脫氫反應機制( SiH4  SiH2 + H2 )43 圖 2-6 在低溫和室溫下Si(100) 表面的電子結構圖44 圖 2-7 在低溫和室溫下Si(100) 表面可能出現的結構46 圖 2-8 Si(100)-4x2結構46 圖 2-9 雙原子單體( dimer )之間的定義47 圖 2-10 最簡單的雙矽原子單體團簇模型( Si9H12 )48 圖 2-11 碳(100)-2x1、矽(100)-2x1、鍺(100)-2x1 表面的HOMO 圖48 圖3-1 Si9H14 表面氫原子解離的反應位能曲線圖52 圖3-2 Si9H14 表面脫氫的反應位能曲線圖52 圖3-3 Si15H20 表面氫原子解離的反應位能曲線圖53 圖3-4 Si15H20 表面脫氫的反應位能曲線圖53 圖3-5 SiH4 氣體分子吸附在 Si9H12 表面的第一種反應位能曲線圖56 圖3-6 SiH4 氣體分子吸附在 Si9H12 表面的第二種反應位能曲線圖57 圖3-7 GeH4 氣體分子吸附在 Si9H12 表面的第一種反應位能曲線圖 57 圖3-8 GeH4 氣體分子吸附在 Si9H12 表面的第二種反應位能曲線圖58 圖3-9 Si10H16 分子異構化反應位能曲線圖58 圖3-10 GeSi9H16 分子異構化反應位能曲線圖59 圖3-11 SiH4氣體分子吸附在Si15H16表面的第一種反應位能曲線圖63 圖3-12 SiH4氣體分子吸附在Si15H16表面的第二種反應位能曲線圖63 圖3-13 GeH4氣體分子吸附在Si15H16表面的第一種反應位能曲線圖64 圖3-14 GeH4氣體分子吸附在Si15H16表面的第二種反應位能曲線圖64 圖3-15 反應氣體原子鍵結在 Si23H24 表面的 interrow 位置上66 圖3-16 反應氣體原子鍵結在 Si23H24 表面的 intradimer 位置上66 圖3-17 SiH4 氣體分子氫原子解離反應位能曲線圖70 圖3-18 GeH4 氣體分子氫原子解離反應位能曲線圖70 圖3-19 SiH4 氣體分子脫氫反應位能曲線圖71 圖3-20 GeH4 氣體分子脫氫反應位能曲線圖71 圖3-21 第一個 SiH2 自由基吸附在 Si9H14 表面的反應位能曲線圖74 圖3-22 第一個 GeH2 自由基吸附在 Si9H14 表面的反應位能曲線圖74 圖3-23 第二個 SiH2 自由基吸附在表面的反應位能曲線圖75 圖3-24 第二個 GeH2 自由基吸附在表面的反應位能曲線圖75 圖3-25 Si2H6氣體分子吸附在Si9H12表面的第一種反應位能曲線圖81 圖3-26 Si2H6氣體分子吸附在Si9H12表面的第二種反應位能曲線圖82 圖3-27 SiGeH6氣體分子吸附在Si9H12表面的第一種反應位能曲線圖82 圖3-28 SiGeH6氣體分子吸附在Si9H12表面的第二種反應位能曲線圖83 圖3-29 SiGeH6氣體分子吸附在Si9H12表面的第三種反應位能曲線圖83 圖3-30 Ge2H6氣體分子吸附在Si9H12表面的第一種反應位能曲線圖 84 圖3-31 Ge2H6氣體分子吸附在Si9H12表面的第二種反應位能曲線圖84 圖3-32 Si11H18 分子異構化反應位能曲線圖85 圖3-33 Si10GeH18 分子異構化反應位能曲線圖(1)85 圖3-34 Si10GeH18 分子異構化反應位能曲線圖(2)86 圖3-35 Si9Ge2H18 分子異構化反應位能曲線圖86 圖3-36 HSiSiH3 分子吸附在 Si9H14 表面的反應位能曲線圖92 圖3-37 HGeGeH3 分子吸附在 Si9H14 表面的反應位能曲線圖93 圖3-38 HSiGeH3 分子吸附在 Si9H14 表面的反應位能曲線圖93 圖3-39 HGeSiH3 分子吸附在 Si9H14 表面的反應位能曲線圖94 圖3-40 H3SiSiH2 分子吸附在 Si9H12 表面的反應位能曲線圖96 圖3-41 H3SiGeH2 分子吸附在 Si9H12 表面的反應位能曲線圖96 圖3-42 H3GeSiH2 分子吸附在 Si9H12 表面的反應位能曲線圖97 圖3-43 H3GeGeH2 分子吸附在 Si9H12 表面的反應位能曲線圖97 圖 3-44 SiH4 / GeH4分子吸附在Si9H12 表面的反應速率常數計算結果100 圖 3-45 SiH4 / GeH4分子吸附在Si15H16 表面的反應速率常數計算結果101 圖 3-46 Si2H6分子吸附在Si9H12 表面的反應速率常數計算結果102 圖 3-47 Ge2H6分子吸附在Si9H12 表面的反應速率常數計算結果103 圖 3-48 SiGeH6分子吸附在Si9H12 表面的反應速率常數計算結果103 圖 3-49 Si2H6、SiGeH6、Ge2H6分子吸附在Si9H12 表面的 反應速率常數計算結果(1)104 圖 3-50 Si2H6、SiGeH6、Ge2H6分子吸附在Si9H12 表面的 反應速率常數計算結果(2)104 圖 3-51 Si11H18、Si10GeH18、Si9Ge2H18分子異構化的 反應速率常數計算結果105 圖 3-52 SiH2 / GeH2自由基吸附在表面的反應速率常數計算結果106 表格索引 頁次 表 1-1 矽、鍺、砷化鎵半導體材料特性比較5 表 1-2 矽、鍺化矽、砷化鎵特性比較表7 表 1-3 SiH4 / GeH4 混合系統的相關氣相反應計算結果10 表 2-1 各種計算方法與實驗值反應熱和活化能(kcal/mol)的比較40 表 2-2 採用不同基底函數的反應熱和活化能(kcal/mol)計算值比較40 表3-1 表面氫原子解離和脫氫反應的能量計算結果51 表3-2 SiH4 / GeH4 氣體分子在 Si9H12 表面吸附反應的能量計算結果55 表3-3 Si10H16、GeSi9H16 分子異構化反應的能量計算結果56 表3-4 SiH4 氣體分子在 Si9H12 表面吸附反應的結構優選參數60 表3-5 GeH4 氣體分子在 Si9H12 表面吸附反應的結構優選參數61 表3-6 SiH4 / GeH4 氣體分子在 Si15H16 表面吸附反應的能量計算結果65 表3-7 GeH4 氣體分子在 Si9H12 表面吸附反應的能量計算結果 67 表3-8 SiH4 / GeH4 氣體分子在 Si23H24 表面吸附反應的能量計算結果67 表3-9 SiH4 / GeH4 氣體氫原子解離及脫氫反應的能量計算結果69 表3-10 SiH2 / GeH2 自由基在表面吸附反應的能量計算結果73 表3-11 SiH2 自由基在表面吸附反應的結構優選參數76 表3-12 GeH2 自由基在表面吸附反應的結構優選參數77 表3-13 Si2H6、SiGeH6、Ge2H6 氣體分子在 Si9H12 表面 吸附反應的能量計算結果80 表3-14 Si11H18、Si10GeH18、Si9Ge2H18 分子異構化反應的能量計算結果81 表3-15 Si2H6 氣體分子在 Si9H12 表面吸附反應的結構優選參數87 表3-16 Ge2H6 氣體分子在 Si9H12 表面吸附反應的結構優選參數88 表3-17 SiGeH6 氣體分子在 Si9H12 表面吸附反應的結構優選參數(1)89 表3-18 SiGeH6 氣體分子在 Si9H12 表面吸附反應的結構優選參數(2)90 表3-19 HSiSiH3、HGeGeH3、HSiGeH3、HGeSiH3 分子在 Si9H14表面 吸附反應的能量計算結果 91 表3-20 H3SiSiH2、H3SiGeH2、H3GeSiH2、H3GeGeH2 分子在 Si9H12表面 吸附反應的能量計算結果 95 表 3-21 利用 Skodje and Truhlar 校正方法計算一階及二階反應的 值99 表 3-22 各反應的阿瑞尼亞士表示式108

    第五章 參考文獻

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