关于低压硅外延生长的热力学研究

康旭东

摘 要：本文将围绕低压硅外延生长的热力学研究方式进行阐述，详细的分析其热化学数据，通过计算的方式得出研究结论，旨在为日后研究工作的顺利进行奠定基础。

关键词：低压硅;外延生长;热力学研究

此次研究将借助在低压条件下外延生长硅膜的方法进行试验，对反应体系的平衡状态进行分析，科学掌握热力学研究方法，对热化学数据进行整合，为今后选择工艺条件提供理论依据。

一、低压硅外延生长的热力学研究方式和热化学数据

低压硅外延生长的热力学研究方式需要借助制备半导体材料Si进行研究，控制好反应的温度，根据反应的实际情况提升温度，与H2相结合，还原出SiCl4对反应的状态进行记录，其中在气体以及固体中相互转化，SiCl4+2H2==Si+4HCl，其SiCl4、H2为气体，Si为固体。在实际的反应环节中，对副产物以及副反应进行仔细的观察与研究，并进行记录，与热力学原理相对较，进行实际的化学分析。在对体系的数量以及种类进行研究的过程中，其中的主要物种包括反应物与生成物两种，总数为8个，其中固体成分为1个，其余则为气体。由于该反应的体系具有多样性，做好实验前期的准备工作，对实验条件进行整合、分析，准确的测出平衡成分，在此环节中，测定结果的准确性有限。将热力学计算应用其中一定程度上可以快速的获取相关的数据信息。

在具体的反应实验的过程中，掌握好温度以及压强，对SiCl4、H2的反应状态进行监测，对其二者的初始含量进行计算，与热力学方法相结合，控制好体系的平衡状态，准确的求出物种之间的相对比例。针对氢化原SiCl4反应体系进行研究时，将平衡常数、总压强、气相总摩尔系数，计算出物种的总摩尔系数之和，将气相总摩尔系数设定为M，则各物种的总摩尔系数之和为系数为H2+HCl+SiCl4+SiHCl3+SiH2Cl2+SiH3Cl+SiCl2之和。仍然需要对SiCl4、H2的初始摩尔系数进行计算，并对Si、Cl以及H元素的反应状态进行观察，得出质量守恒方程式。在此过程中，需要借助独立组元法的方式进行，对迭代运算步骤进行优化，准确的计算出初值，并与计算机信息系统相结合[1]。

二、低压硅外延生长的热力学研究计算结果与讨论

（一）平衡成分分析

在经过上述试验过后，对低压硅外延生长的热力学研究的平衡成分进行研究，并由专业的计算人员绘制成平衡成分图。在实际的反应过程中，将温度控制在不同的范围之内，对SiCl4、H2的初始成分进行监测，控制好压强，掌握好该反应体系处于平衡状态时的情况，对各气相组分进行分类，准确的计算出摩尔系数，为了保证计算结果的准确性，可以通过抽样的方式进行试验，抽取相关的数据信息，将计算出来的平衡摩尔分数进行研究，与温度进行对比，对SiCl4、H2的初始摩尔系数进行对比，控制好反应的压强，准确绘制出其平衡成分图。对低压硅外延生长的工艺进行完善，反应温度在700℃-1200℃之间，其二者之间的比例在1：100，在平衡成分图中可以清晰的发现其还原的产物较多，主要包括HCl、SiCl2、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl等几种，其中后者的摩尔系数最低，适当的上调温度，为还原反应提供充足的空间，其各个元素的浓度也逐渐上升，适当的对该反应体系的压力进行降低，其反应的结果将更加准确。

（二）产率分析

对氯硅烷分解过程进行监测，并计算出Si的产率分数，对其固态硅的相对比率进行计算。仍然将温度控制在不同的区间，控制好压强的数值以及初始成分条件，绘制出产率图，在图中可以清晰的发现其产率分数与压强之间呈现出负相关的关系，其产率分数的数值随着压强的逐渐降低而升高，对产率的最高点进行观察，可以发现其温度处于最低值，计算出温度降低的数值，在100K左右。对整个反应气体产生的Si产率分数进行计算，对单元体积的初始气体混合物析出Si的实际状态进行研究，一定程度上有助于提升SiCl4氢化原气相反应的准确性，并与沉积速率相比较，得出在不同条件下Si的产率分数，绘制出产率图，在图中可以清晰的发现，当在1400K的条件下，可以观察期中的产率最高点与压强保持在一致的水平，其差别不明显。当在1300K-1200K范围之内时，此时的压强为1，产率图中的下降趋势较为明显[2]。

（三）控制参数阈值分析

在低压硅外延生长的热力学研究过程中，绘制出控制参数阈值图，并将其分为腐蚀区以及生长区。在研究低压外延硅生长工艺的环节中，对其生长条件进行控制，对控制参数进行整合，对通入系统的反应气体的初始成分进行监测，其中主要涉及的参数是反应器的温度，并准确的对参数的控制阈值进行限制，尽量不要超过阈值，否则将会发生腐蚀的状况。将压强控制在1、0.1、0.01，将温度控制在不同的区间，并对其进行计算。对常压条件下以及低压体系进行比较，其中前者控制参数的范围较小，后者与之相反。对生长区的沉积情况进行监测，在压强不断降低的情况下，沿着低温的方向外延，借助输入适量的混合气体SiCl4，有助于提升生长区的沉积速率。

三、结论

此次研究对SiCl4氫化原体系的平衡状态进行研究，将平衡成分、产率以及控制参数阈值进行整合，对还原反应进行监测，一定程度上有助于提升低压外延生长的动力学研究水平。

参考文献：

[1]李航.压缩机在天然气低压开采工艺中的热力学研究[J].辽宁化工，2018，47（08）：795-797.

[2]胡继超.4H-SiC低压同质外延生长和器件验证[D].西安电子科技大学，2017.