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温度升高,对硅的转化率有利,这是因为硅棒的生长主要是化学气相沉积。但另一方面,硅在硅棒表面沉积,又是一个物理过程。根据Langmuir吸附公式,温度升高会导致解析速率增加,吸附速率降低。所以在实际生产过程中,温度并非越高越好。实际沉积过程中,半导体材料自气相向固态载体上沉积时都有最高温度Tmax,当反应温度超过这个温度时,随着温度的升高沉积速率反而下降,各种不同的硅卤化物有不同的Tmax。此外,还有一个平衡温度T0,高于该温度才开始反应析出硅。一般在反应平衡温度和最大温度之间,沉积速率随着温度升高而增大,如图2所示。
图2 温度与沉积速率的关系
三氯氢硅在900~1050℃范围内以热分解为主,在1050~1200℃之间以氢还原为主。但这只是一个大致的趋势,其实在900~1050℃范围内也会有氢还原反应发生。三氯氢硅反应温度较四氯化硅的略低,因此可以相应减少还原炉设备杂质挥发所引起的污染。
另外沉积过程中,组份的输运还受Soret热效应的影响。Soret热效应通常指凝聚相的热扩散现象,即在不均匀的温度场中,混合物的组份向不等温的冷热两壁发生迁移浓缩,形成浓度梯度,分子量大的向冷区聚积,分子量小的向热区聚积,故在硅棒表面邻近区域,HCl比TCS更容易贴近硅棒表面,使得反应速率受到限制如图3和图4所示
图3、Soret热效应对SiHCl3分布的影响 图4、Soret热效应对生长速率的影响
其中图3 中:a、环形空隙温度分布;b、无Soret热效应影响的TCS分布;c、Soret热效应影响下的TCS分布。
温度升高,无论从化学反应平衡还是从反应动力学方面,都能够使反应向有利的方向进行,加快反应速度。但同时由于:①存在Soret效应,②HCl和SiCl4在高温下对硅棒具有刻蚀作用,③高温导致反应气体不能到达硅棒表面,即化学气相沉积未在硅棒表面发生,而是在高温区的气相中就已经反应了,使得硅粉微粒被气相带出反应器,所以硅棒表面的温度不能过高。
增加反应温度还对结晶性能也有益。温度高,结晶粗大,而且表面具有很亮的金属光泽;但是温度过高,如超过1200℃,则会发生逆腐蚀反应,使硅容易熔化;反之,温度底,结晶细小,表面呈暗灰色,当温度低于900℃时,则会生成疏松的暗褐色无定形硅,如有时候在还原炉石墨电极上,会覆盖一层无定形硅。
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