一种氮化硅被动氧化层厚度确定方法与流程

技术特征：

1.一种氮化硅被动氧化层厚度确定方法,其特征在于步骤如下:

(1)假设氮化硅材料只与氧气发生反应且化学反应处于热力学平衡状态，通过化学反应方程建立起Si₃N₄氧化的热力学模型进而构建氮化硅被动氧化预测模型；所述的被动氧化预测模型从外到内依次包括气体边界层、致密氧化层、多孔氧化层和原始材料层；

(2)根据热力学模型中每个化学反应的化学平衡常数结合反应后气体总压等于环境压强的原则，计算反应后SiO₂的蒸汽压；

(3)根据反应后SiO₂的蒸汽压，计算致密氧化层与气体边界层交接面的SiO₂浓度，进而得到该边界层的O₂浓度

(4)氧化过程中，假设在原始材料层与多孔氧化层之间的交界面反应处于热力学平衡状态，采用Barin的热力学数据，得到该交界面的氧分压，进而得到该交界面的O₂浓度

(5)根据气体的扩散通量守恒以及反应的热化学平衡守恒原则，根据步骤(3)、(4)确定的O₂浓度，计算氧化层的厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的热力学模型如下：

Si₃N₄(s)+3O₂(g)＝3SiO₂(l)+2N₂(g)

Si₃N₄(s)+3O₂(g)＝3SiO₂(g)+2N₂(g)

SiO₂(l)＝SiO₂(g)

Si₃N₄(s)+3/2O₂(g)＝3SiO(g)+2N₂(g)

2SiO₂(l)＝2SiO(g)+O₂(g)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：反应后SiO₂的蒸汽压计算公式如下：

$P_{{\mathrm{SiO}}_2}\left(atm\right)=5.06\×{10}^8\exp (-\frac{70403}{T})$

式中，T化学反应温度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(4)中的氧分压计算公式如下：

$P_{O_2}^s\left(atm\right)=1.34\×{10}^3\exp (-\frac{78574}{T})$

式中，T化学反应温度。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的氧化层厚度L计算公式如下：

L＝q₁L₂；

$q_1=\frac{D_{O_2-{\mathrm{SiO}}_2}\left(C_{O_2}^i-C_{O_2}^s\right)}{D_{O_2}\left(C_{O_2}^a-C_{O_2}^i\right)+D_{O_2-{\mathrm{SiO}}_2}\left(C_{O_2}^i-C_{O_2}^s\right)}$

式中，L表示多孔氧化层、致密氧化层的总厚度，L₂表示多孔氧化层、致密氧化层和气体边界层的总厚度；q₁表示氧化层厚度之间的比例关系；表示O₂在致密氧化层中的扩散系数，表示O₂在空气中的扩散系数；表示气体边界层的外表面的氧气浓度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的多孔氧化层、致密氧化层和气体边界层的总厚度计算公式如下：

$L_2^2=2\left(\frac{M_{{\mathrm{SiO}}_2}}{{\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{SiO}}_2}}\right)\left(\frac{f}{1-f}\right)D_{O_2}\frac{C_{O_2}^a-C_{O_2}^i}{(1-q_1)}t$

式中，表示的SiO₂的分子量，表示SiO₂的密度；f表示多孔氧化层的孔隙率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：f取值范围0.01-0.05。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：f最优取0.03。