關(guān)于低壓硅外延生長的熱力學(xué)研究

康旭東

摘?要：本文將圍繞低壓硅外延生長的熱力學(xué)研究方式進(jìn)行闡述，詳細(xì)的分析其熱化學(xué)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算的方式得出研究結(jié)論，旨在為日后研究工作的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：低壓硅;外延生長;熱力學(xué)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(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)反應(yīng)體系的平衡狀態(tài)進(jìn)行分析，科學(xué)掌握熱力學(xué)研究方法，對(duì)熱化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，為今后選擇工藝條件提供理論依據(jù)。

一、低壓硅外延生長的熱力學(xué)研究方式和熱化學(xué)數(shù)據(jù)

低壓硅外延生長的熱力學(xué)研究方式需要借助制備半導(dǎo)體材料Si進(jìn)行研究，控制好反應(yīng)的溫度，根據(jù)反應(yīng)的實(shí)際情況提升溫度，與H2相結(jié)合，還原出SiCl4對(duì)反應(yīng)的狀態(tài)進(jìn)行記錄，其中在氣體以及固體中相互轉(zhuǎn)化，SiCl4+2H2==Si+4HCl，其SiCl4、H2為氣體，Si為固體。在實(shí)際的反應(yīng)環(huán)節(jié)中，對(duì)副產(chǎn)物以及副反應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的觀察與研究，并進(jìn)行記錄，與熱力學(xué)原理相對(duì)較，進(jìn)行實(shí)際的化學(xué)分析。在對(duì)體系的數(shù)量以及種類進(jìn)行研究的過程中，其中的主要物種包括反應(yīng)物與生成物兩種，總數(shù)為8個(gè)，其中固體成分為1個(gè)，其余則為氣體。由于該反應(yīng)的體系具有多樣性，做好實(shí)驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行整合、分析，準(zhǔn)確的測出平衡成分，在此環(huán)節(jié)中，測定結(jié)果的準(zhǔn)確性有限。將熱力學(xué)計(jì)算應(yīng)用其中一定程度上可以快速的獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

在具體的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的過程中，掌握好溫度以及壓強(qiáng)，對(duì)SiCl4、H2的反應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)其二者的初始含量進(jìn)行計(jì)算，與熱力學(xué)方法相結(jié)合，控制好體系的平衡狀態(tài)，準(zhǔn)確的求出物種之間的相對(duì)比例。針對(duì)氫化原SiCl4反應(yīng)體系進(jìn)行研究時(shí)，將平衡常數(shù)、總壓強(qiáng)、氣相總摩爾系數(shù)，計(jì)算出物種的總摩爾系數(shù)之和，將氣相總摩爾系數(shù)設(shè)定為M，則各物種的總摩爾系數(shù)之和為系數(shù)為H2+HCl+SiCl4+SiHCl3+SiH2Cl2+SiH3Cl+SiCl2之和。仍然需要對(duì)SiCl4、H2的初始摩爾系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)Si、Cl以及H元素的反應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行觀察，得出質(zhì)量守恒方程式。在此過程中，需要借助獨(dú)立組元法的方式進(jìn)行，對(duì)迭代運(yùn)算步驟進(jìn)行優(yōu)化，準(zhǔn)確的計(jì)算出初值，并與計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)相結(jié)合[1]。

二、低壓硅外延生長的熱力學(xué)研究計(jì)算結(jié)果與討論

（一）平衡成分分析

在經(jīng)過上述試驗(yàn)過后，對(duì)低壓硅外延生長的熱力學(xué)研究的平衡成分進(jìn)行研究，并由專業(yè)的計(jì)算人員繪制成平衡成分圖。在實(shí)際的反應(yīng)過程中，將溫度控制在不同的范圍之內(nèi)，對(duì)SiCl4、H2的初始成分進(jìn)行監(jiān)測，控制好壓強(qiáng)，掌握好該反應(yīng)體系處于平衡狀態(tài)時(shí)的情況，對(duì)各氣相組分進(jìn)行分類，準(zhǔn)確的計(jì)算出摩爾系數(shù)，為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以通過抽樣的方式進(jìn)行試驗(yàn)，抽取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，將計(jì)算出來的平衡摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究，與溫度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)SiCl4、H2的初始摩爾系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，控制好反應(yīng)的壓強(qiáng)，準(zhǔn)確繪制出其平衡成分圖。對(duì)低壓硅外延生長的工藝進(jìn)行完善，反應(yīng)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(fā)現(xiàn)其還原的產(chǎn)物較多，主要包括HCl、SiCl2、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl等幾種，其中后者的摩爾系數(shù)最低，適當(dāng)?shù)纳险{(diào)溫度，為還原反應(yīng)提供充足的空間，其各個(gè)元素的濃度也逐漸上升，適當(dāng)?shù)膶?duì)該反應(yīng)體系的壓力進(jìn)行降低，其反應(yīng)的結(jié)果將更加準(zhǔn)確。

（二）產(chǎn)率分析

對(duì)氯硅烷分解過程進(jìn)行監(jiān)測，并計(jì)算出Si的產(chǎn)率分?jǐn)?shù)，對(duì)其固態(tài)硅的相對(duì)比率進(jìn)行計(jì)算。仍然將溫度控制在不同的區(qū)間，控制好壓強(qiáng)的數(shù)值以及初始成分條件，繪制出產(chǎn)率圖，在圖中可以清晰的發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)率分?jǐn)?shù)與壓強(qiáng)之間呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系，其產(chǎn)率分?jǐn)?shù)的數(shù)值隨著壓強(qiáng)的逐漸降低而升高，對(duì)產(chǎn)率的最高點(diǎn)進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)其溫度處于最低值，計(jì)算出溫度降低的數(shù)值，在100K左右。對(duì)整個(gè)反應(yīng)氣體產(chǎn)生的Si產(chǎn)率分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)單元體積的初始?xì)怏w混合物析出Si的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行研究，一定程度上有助于提升SiCl4氫化原氣相反應(yīng)的準(zhǔn)確性，并與沉積速率相比較，得出在不同條件下Si的產(chǎn)率分?jǐn)?shù)，繪制出產(chǎn)率圖，在圖中可以清晰的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在1400K的條件下，可以觀察期中的產(chǎn)率最高點(diǎn)與壓強(qiáng)保持在一致的水平，其差別不明顯。當(dāng)在1300K-1200K范圍之內(nèi)時(shí)，此時(shí)的壓強(qiáng)為1，產(chǎn)率圖中的下降趨勢較為明顯[2]。

（三）控制參數(shù)閾值分析

在低壓硅外延生長的熱力學(xué)研究過程中，繪制出控制參數(shù)閾值圖，并將其分為腐蝕區(qū)以及生長區(qū)。在研究低壓外延硅生長工藝的環(huán)節(jié)中，對(duì)其生長條件進(jìn)行控制，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行整合，對(duì)通入系統(tǒng)的反應(yīng)氣體的初始成分進(jìn)行監(jiān)測，其中主要涉及的參數(shù)是反應(yīng)器的溫度，并準(zhǔn)確的對(duì)參數(shù)的控制閾值進(jìn)行限制，盡量不要超過閾值，否則將會(huì)發(fā)生腐蝕的狀況。將壓強(qiáng)控制在1、0.1、0.01，將溫度控制在不同的區(qū)間，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。對(duì)常壓條件下以及低壓體系進(jìn)行比較，其中前者控制參數(shù)的范圍較小，后者與之相反。對(duì)生長區(qū)的沉積情況進(jìn)行監(jiān)測，在壓強(qiáng)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(qū)的沉積速率。

三、結(jié)論

此次研究對(duì)SiCl4氫化原體系的平衡狀態(tài)進(jìn)行研究，將平衡成分、產(chǎn)率以及控制參數(shù)閾值進(jìn)行整合，對(duì)還原反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，一定程度上有助于提升低壓外延生長的動(dòng)力學(xué)研究水平。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]胡繼超.4H-SiC低壓同質(zhì)外延生長和器件驗(yàn)證[D].西安電子科技大學(xué)，2017.