從反應(yīng)活化能壘角度探討多晶硅還原機理

王友承

（浙江思博恩新材料科技有限公司，浙江 嘉善 314117）

以三氯氫硅做為硅源，在常壓高溫下與H2發(fā)生還原反應(yīng)是目前多晶硅企業(yè)中應(yīng)用最廣泛的方法，此方法是由德國西門子公司發(fā)明，因而命名為“西門子生產(chǎn)多晶硅方法”[1，2]。對此反應(yīng)的研究已有較多報道，但從活化能角度看探討三氯氫硅和H2反應(yīng)最容易生產(chǎn)硅的原理還未見報道。本文基于密度泛函理論方法，模擬三氯氫硅還原反應(yīng)過程，搜索各反應(yīng)中可能出現(xiàn)的過渡態(tài)，從分子角度探討多晶硅還原反應(yīng)機理。通過軟件Materials Studio5.0計算比較反應(yīng)過渡態(tài)中的活化能壘來確定反應(yīng)能否進行及進行的難易程度。

1 計算方法

本文計算采用Accelrys公司開發(fā)的MS軟件中DMol3量子力學模塊進行計算。通過LST/QST搜索算法計算三氯氫硅還原反應(yīng)中不同反應(yīng)路徑出現(xiàn)的過渡態(tài)。分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化在DND基組上完成；泛函選擇GGA/BP。全部計算工作均在個人微機上完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 三氯氫硅還原反應(yīng)機理分析

多晶硅的還原工序是在溫度為1100℃左右的還原爐內(nèi)以H2流攜帶SiHCl3通過化學氣相沉積法來還原生產(chǎn)多晶硅。從還原產(chǎn)物來看主要發(fā)生反應(yīng)通道有path a、path b，以及SiHCl3和產(chǎn)物HCl反應(yīng)通道path c,如圖1所示。

圖1 氣相SiHCl3和H2、HCl反應(yīng)機理Fig.1 Mechanism form the reaction of SiHCl3-H2-HCl in gas phase

從圖1中可以看出，在SiHCl3在還原工序中不僅有多晶硅生成，同時還有SiCl4、HCl及SiH2Cl2等副反應(yīng)生成。由于在實際生產(chǎn)中，副反應(yīng)不可避免，但對工藝過程加以控制，可以盡量減少副反應(yīng)發(fā)生，減少副產(chǎn)物的生成，提高轉(zhuǎn)化率。另一方面對于副產(chǎn)物必須進行綜合利用，使其轉(zhuǎn)化為有用的原料或產(chǎn)品。……