關于低壓硅外延生長的熱力學研究

康旭東

摘?要：本文將圍繞低壓硅外延生長的熱力學研究方式進行闡述，詳細的分析其熱化學數據，通過計算的方式得出研究結論，旨在為日后研究工作的順利進行奠定基礎。

關鍵詞：低壓硅;外延生長;熱力學研究

此次研究將借助在低壓條件下外延生長硅膜的方法進行試驗，對反應體系的平衡狀態進行分析，科學掌握熱力學研究方法，對熱化學數據進行整合，為今后選擇工藝條件提供理論依據。

一、低壓硅外延生長的熱力學研究方式和熱化學數據

低壓硅外延生長的熱力學研究方式需要借助制備半導體材料Si進行研究，控制好反應的溫度，根據反應的實際情況提升溫度，與H2相結合，還原出SiCl4對反應的狀態進行記錄，其中在氣體以及固體中相互轉化，SiCl4+2H2==Si+4HCl，其SiCl4、H2為氣體，Si為固體。在實際的反應環節中，對副產物以及副反應進行仔細的觀察與研究，并進行記錄，與熱力學原理相對較，進行實際的化學分析。在對體系的數量以及種類進行研究的過程中，其中的主要物種包括反應物與生成物兩種，總數為8個，其中固體成分為1個，其余則為氣體。由于該反應的體系具有多樣性，做好實驗前期的準備工作，對實驗條件進行整合、分析，準確的測出平衡成分，在此環節中，測定結果的準確性有限。將熱力學計算應用其中一定程度上可以快速的獲取相關的數據信息。

在具體的反應實驗的過程中，掌握好溫度以及壓強，對SiCl4、H2的反應狀態進行監測，對其二者的初始含量進行計算，與熱力學方法相結合，控制好體系的平衡狀態，準確的求出物種之間的相對比例。針對氫化原SiCl4反應體系進行研究時，將平衡常數、總壓強、氣相總摩爾系數，計算出物種的總摩爾系數之和，將氣相總摩爾系數設定為M，則各物種的總摩爾系數之和為系數為H2+HCl+SiCl4+SiHCl3+SiH2Cl2+SiH3Cl+SiCl2之和。仍然需要對SiCl4、H2的初始摩爾系數進行計算，并對Si、Cl以及H元素的反應狀態進行觀察，得出質量守恒方程式。在此過程中，需要借助獨立組元法的方式進行，對迭代運算步驟進行優化，準確的計算出初值，并與計算機信息系統相結合[1]。

二、低壓硅外延生長的熱力學研究計算結果與討論

（一）平衡成分分析

在經過上述試驗過后，對低壓硅外延生長的熱力學研究的平衡成分進行研究，并由專業的計算人員繪制成平衡成分圖。在實際的反應過程中，將溫度控制在不同的范圍之內，對SiCl4、H2的初始成分進行監測，控制好壓強，掌握好該反應體系處于平衡狀態時的情況，對各氣相組分進行分類，準確的計算出摩爾系數，為了保證計算結果的準確性，可以通過抽樣的方式進行試驗，抽取相關的數據信息，將計算出來的平衡摩爾分數進行研究，與溫度進行對比，對SiCl4、H2的初始摩爾系數進行對比，控制好反應的壓強，準確繪制出其平衡成分圖。對低壓硅外延生長的工藝進行完善，反應溫度在700℃-1200℃之間，其二者之間的比例在1：100，在平衡成分圖中可以清晰的發現其還原的產物較多，主要包括HCl、SiCl2、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl等幾種，其中后者的摩爾系數最低，適當的上調溫度，為還原反應提供充足的空間，其各個元素的濃度也逐漸上升，適當的對該反應體系的壓力進行降低，其反應的結果將更加準確。

（二）產率分析

對氯硅烷分解過程進行監測，并計算出Si的產率分數，對其固態硅的相對比率進行計算。仍然將溫度控制在不同的區間，控制好壓強的數值以及初始成分條件，繪制出產率圖，在圖中可以清晰的發現其產率分數與壓強之間呈現出負相關的關系，其產率分數的數值隨著壓強的逐漸降低而升高，對產率的最高點進行觀察，可以發現其溫度處于最低值，計算出溫度降低的數值，在100K左右。對整個反應氣體產生的Si產率分數進行計算，對單元體積的初始氣體混合物析出Si的實際狀態進行研究，一定程度上有助于提升SiCl4氫化原氣相反應的準確性，并與沉積速率相比較，得出在不同條件下Si的產率分數，繪制出產率圖，在圖中可以清晰的發現，當在1400K的條件下，可以觀察期中的產率最高點與壓強保持在一致的水平，其差別不明顯。當在1300K-1200K范圍之內時，此時的壓強為1，產率圖中的下降趨勢較為明顯[2]。

（三）控制參數閾值分析

在低壓硅外延生長的熱力學研究過程中，繪制出控制參數閾值圖，并將其分為腐蝕區以及生長區。在研究低壓外延硅生長工藝的環節中，對其生長條件進行控制，對控制參數進行整合，對通入系統的反應氣體的初始成分進行監測，其中主要涉及的參數是反應器的溫度，并準確的對參數的控制閾值進行限制，盡量不要超過閾值，否則將會發生腐蝕的狀況。將壓強控制在1、0.1、0.01，將溫度控制在不同的區間，并對其進行計算。對常壓條件下以及低壓體系進行比較，其中前者控制參數的范圍較小，后者與之相反。對生長區的沉積情況進行監測，在壓強不斷降低的情況下，沿著低溫的方向外延，借助輸入適量的混合氣體SiCl4，有助于提升生長區的沉積速率。

三、結論

此次研究對SiCl4氫化原體系的平衡狀態進行研究，將平衡成分、產率以及控制參數閾值進行整合，對還原反應進行監測，一定程度上有助于提升低壓外延生長的動力學研究水平。

參考文獻：

[1]李航.壓縮機在天然氣低壓開采工藝中的熱力學研究[J].遼寧化工，2018，47（08）：795-797.

[2]胡繼超.4H-SiC低壓同質外延生長和器件驗證[D].西安電子科技大學，2017.