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硅的腐蚀反应:
由于硅的沉积速率受温度的影响最大,所以温度对硅棒表面形态的影响程度也很大。
多晶硅形态等级(morphology level rating)一般可以分为7级,1级为硅棒光滑致密,7级为最粗糙,呈爆米花(popcorn)状。形态等级差的硅棒致使在化学清洗时不易处理干净,杂质和水份残留在多晶硅表面,影响区熔成晶,甚至迫使中断拉晶操作。即使用作直拉料,也会由于杂质玷污,使单晶纯度下降。
硅棒表面形态均匀性的根本原因是硅的沉积速度和硅棒表面所能吸收并使之形成晶体的速度之间的差异。当化学反应沉积速度大于硅棒表面成晶速度时,晶粒来不及在硅棒表面进行有序的排列,就会造成硅棒表面的不均匀。有许多因素可以影响硅的沉积速度从而造成硅棒的畸形生长,影响多晶硅形态等级,例如硅棒表面温度及温度不均匀性,进料气体的流量和组份的摩尔配比,原料混合气的纯度,甚至硅芯的安装垂直度等。
图5为各种硅棒表面的形态。
a、不同位置处的硅棒表面形态 b、光滑的硅棒表面 c、粗糙的硅棒表面
图5、各种硅棒表面形态
硅棒生长过程中,具有“自调节效应”,使得硅棒在生长过程中,不会导致粗的地方越粗,细的地方越细的现象,而是通过自调节,使得产品硅棒上下各处粗细趋向均匀。
当硅棒表面的温度超过某一个最大值(Tmax)时,气相向硅棒表面沉积的速度随着温度的升高反而下降,随着温度的下降反而上升。在此温度区(>Tmax),由于受到对流的影响,硅棒表面的温度分布会发生波动而不均匀。温度低的地方,沉积速度快而产生凸起,凸起的表面易散热而会使温度变低,这样就使得这些地方可以保持较高的反应速度。另外,凸起的地方更先于接触到反应气体,故最先进行反应,从而凸起的地方更凸。相反,温度高的地方,沉积速度低而产生凹坑,凹坑的表面不易散热而会使温度变得更高,低凹的地方面气相容易发生涡流,反应气更新速度慢,这样就使得这些地方的反应速度被限制的较慢,从而凹坑的地方更凹。Soret效应使得硅棒表面的高温区的HCl气体浓度很大,而气流在凹坑和凸起的地方最容易形成环流。而凹坑和凸起逐渐发展,相邻近的相互连接在一起,其下面包裹杂质气体,从而生长的硅棒粗糙和疏松。
当温度低于Tmax时,由于具有“自调节效应”,表面可以消除凹凸现象,使得硅的结晶致密,表面光滑而平整。当然,为了维持高的沉积速率,另外避免生成无定型硅,硅棒表面的温度也不能过低。
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