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(tài)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(tài)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(huán)節(jié)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(huán)節(jié)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(tài)進行監(jiān)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(tài),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(tài)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(yōu)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(yè)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(jiān)測,控制好壓強,掌握好該反應體系處于平衡狀態(tài)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(fā)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(jiān)測,并計算出Si的產率分數,對其固態(tài)硅的相對比率進行計算。仍然將溫度控制在不同的區(qū)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(fā)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(fā)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(tài)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(fā)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(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(jiān)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(fā)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(qū)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(qū)的沉積情況進行監(jiān)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(qū)的沉積速率。
三、結論
此次研究對SiCl4氫化原體系的平衡狀態(tài)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(jiān)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.