化学气相沉积（CVD）、SiC、沉积模拟、LAMMPS计算
1、案例背景
金属有机化学气相沉积（MOCVD）已成为生长金属化合物薄膜的主要方法。石墨由于其耐高温和化学稳定性等优点，在MOCVD中被广泛用作薄膜生长衬底材料。然而MOCVD工艺石墨在高温下易被氨腐蚀，导致石墨碎片脱落。因此需要对石墨表面进行涂层处理。SiC晶体结构中硅与碳原子之间存在强大的共价键，且碳化硅和石墨热膨胀系数变化不大，SiC是石墨板表面涂层的首先材料。作者通过多尺度模拟和实验研究CVD SiC工艺，解释低压条件下优异的沉积和涂层生长机理。模拟过程中，通过改变气体流速、沉积压力和甲基三氟硅烷（MTS）与H2 (nMTS : nH₂）的摩尔比，分析参数对CVD SiC影响。
2、建模与计算方法
作者利用MedeA Environment创建了石墨基底及SiC结构，采用用Supercell Builder功能创建超胞体系，体系大小为25 x 20 x 15 À，体系分为运动层、恒温层和固定层，见图1。随后用MedeA LAMMPS模块，选用ReaxFF力场，在NVT系综下对体系进行优化；利用Deposition模块模拟CVD SiC工艺过程，设置沉积时间300 ps，沉积温度为1473.15 K，保护气体Ar分子以2 ps时间间隔进入体系；气体分子（MTS-H2）入射频率为5 atoms/ps，计算步长为0.2 fs。
3、总结与讨论
3.1 气体流速对CVD SiC影响
本案例中作者先用CFD从宏观角度模拟CVD SiC过程，获取相关参数用于微观进一步研究SiC沉积过程。作者利用MedeA LAMMPS结合Deposition模块研究气体流速对CVD SiC影响，见图2。反应气体流速从100 sccm增加到300 sccm，SiC沉积速率增加，涂层缺陷减少，结晶速率增加。当气体流速增加到400 sccm时，过快的沉积速率导致缺陷增加，结晶速率降低。气体流速在300 sccm时，SiC沉积速率及结晶率最佳。
图2 不同气体流速下MD模拟（a）SiC涂层模拟生长率和实验生长率；（b）SiC涂层缺陷数量和缺陷密度；（c）模拟生长厚度和表面粗糙度；（d）相对原子密度和原子间的结合强度；（e）SiC结晶率；（f）SiC吸附速率（压力为160 mbar，nMTS : nH₂ = 1:8 ）
3.2 气体压力对CVD SiC影响
作者通过分子动力学模拟进一步研究不同沉积压力对SiC涂层沉积的影响，见图3。从图3可知，当气体压力从10 mbar增加到60 mbar，SiC沉积速率有所提高，结晶率增加；当气体压力达到110 mbar时，气体分子扩散速率受到抑制，降低SiC结晶率，沉积速率也降低，缺陷增加；然而气体压力进一步增加到160 mbar，由于气体分子停留时间延长，缺陷减少，表面对SiC吸附速率提升。60 mbar和160 mbar下，SiC涂层生长厚度也相似，且受压力影响的表面粗糙度增加趋势与实验结果一致。相对来说，在气体流速为300 sccm，压力为160 mbar时，SiC有高沉积速率，低缺陷生成和高结晶速率。
图3 不同沉积压力下MD模拟（a）SiC涂层模拟生长率和实验生长率；（b）SiC涂层缺陷数量和缺陷密度；（c）模拟生长厚度和表面粗糙度；（d）相对原子密度和原子间的结合强度；（e）SiC结晶率；（f）SiC吸附速率（气体流速为300 sccm，nMTS : nH₂ = 1:8 ）
3.3 nMTS : nH2 摩尔比对CVD SiC影响
作者进一步研究 nMTS : nH2 摩尔比对SiC涂层沉积的影响，见图4。当 nMTS : nH2 摩尔比从1:12提高到1:8时，SiC涂层的沉积速度加快，涂层缺陷的数量和密度有所减少。当摩尔比达到1:6时，SiC沉积速度降低，涂层表面粗糙度增加，生长厚度减小；SiC原子间的键合强度降低同时结晶速率降低。综上，在 nMTS : nH2 摩尔比为1:8时，SiC结晶速率达到最大，SiC相对原子层质量密度达到最大值0.89；涂层有最小的表面粗糙度和最大的沉积厚度。以上模拟和实验结果共同表明，当气体流量为300 sccm，沉积压力为160 mbar，nMTS : nH2 为1:8时，CVD SiC沉积速率和质量最佳。
图4 不同条件下分子动力学模拟结果（a）SiC涂层模拟生长率和实验生长率；（b）SiC涂层缺陷数量和缺陷密度；（c）模拟生长厚度和表面粗糙度；（d）相对原子密度和原子间的结合强度；（e）SiC结晶率；（f）SiC吸附速率（气体流速为300 sccm，压力160 mbar）
4、总结与展望
本案例作者采用有限体积法和分子动力学方法对CVD SiC过程进行了多尺度模拟。研究了不同气体流速、沉积压力 MTS / H2和摩尔比对CVD SiC的影响。从宏观和微观角度分析了不同参数下CVD SiC涂层的沉积速率和质量。结果表明，当气体流量为300 sccm，沉积压力为160 mbar，nMTS : nH2 为1:8时，CVD SiC沉积速率和质量最佳。低压条件的实现极大降低了批量生产大尺寸石墨板上沉积SiC涂层的实验成本，本研究成果对于在大尺寸石墨板上沉积SiC涂层和批量生产具有理论和实用价值，在半导体相关行业具有重要意义。
参考文献：
DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2024.127851
使用MedeA模块：
MedeA Environment
MedeA LAMMPS
MedeA Deposition
