§2.2.1 四氯化硅的氫氣還原法外延生長過程

1 化學(xué)原理

1.1 四氯化硅的氫氣還原機(jī)理

1.1.1 為吸熱反應(yīng)

1.1.2 伴有有害副反應(yīng)

1.1.3 整個(gè)反應(yīng)過程分兩步進(jìn)行

1.2 反應(yīng)步驟分析

1.2.1 四氯化硅質(zhì)量轉(zhuǎn)移到生長層表面

1.2.2 四氯化硅在生長層表面被吸附

1.2.3 在生長層表面上四氯化硅與氫氣反應(yīng)

1.2.4 副產(chǎn)物的排除

1.2.5 硅原子在生長層表面的加接

2 {111}面硅外延生長的結(jié)晶學(xué)原理

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2.1 晶核的形成

2.1.1 結(jié)晶學(xué)核化理論

2.1.2 共價(jià)鍵理論

2.2 結(jié)晶體的形成

2.2.1 晶核沿六個(gè)[110]向和六個(gè)[112]向擴(kuò)展

2.2.2 （111）面上的結(jié)晶體是六棱形的

2.2.3 （111）面上的六棱形結(jié)晶體是非對(duì)稱的

2.3 生長面的平坦擴(kuò)展

§2.2.2 外延系統(tǒng)及外延生長速率

1 外延系統(tǒng)的形態(tài)

1.1 外延系統(tǒng)的流體形態(tài)

1.1.1 流體的連續(xù)性

1.1.2 流體的粘滯性

1.2 流體的兩種流動(dòng)形態(tài)

1.2.1 流體的紊流態(tài)

1.2.2 流體的層流態(tài)

1.3 流體形態(tài)判據(jù)及外延系統(tǒng)中的流體流形

1.3.1平板雷諾數(shù)

1.3.2 流體流形判定

1.3.3 外延系統(tǒng)中的流體形態(tài)

2 外延系統(tǒng)中的附面層概念

2.1 速度附面層

2.1.1 實(shí)際外延系統(tǒng)近似

2.1.2 速度附面層定義

2.1.3 速度附面層的厚度表達(dá)式

2.2 質(zhì)量附面層

2.2.1 質(zhì)量附面層定義

2.2.2 質(zhì)量附面的厚度表達(dá)式

3 外延生長速率

3.1 外延生長模型的建立

3.2 外延生長速率

3.2.1 外延生長速率的表達(dá)式

3.2.2 兩種極限條件下的外延生長速率

4 影響外延生長速率的諸因素

4.1 與溫度的關(guān)系

4.1.1 化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系

4.1.2 氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)與溫度的關(guān)系

4.1.3 實(shí)際外延溫度的選擇

4.2 與反應(yīng)劑濃度的關(guān)系

4.3 與氣體流量的關(guān)系

4.4 與襯底片位置量的關(guān)系

5 改善外延生長前后不均勻的工藝措施

5.1 適當(dāng)增大混合氣體的流量

5.2 使基座相對(duì)氣流傾斜一小角度

課程重點(diǎn)：本節(jié)以四氯化硅的氫氣還原法外延生長作為重點(diǎn)，討論了在{111}面上進(jìn)行硅外延的所有化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和結(jié)晶生長原理。根據(jù)分析可知：整個(gè)外延過程實(shí)際上是外延生長的化學(xué)反應(yīng)過程與外延生長的結(jié)晶過程的連續(xù)地、不斷地、重復(fù)進(jìn)行的綜合過程。本節(jié)討論了外延生長的化學(xué)反應(yīng)原理。由化學(xué)反應(yīng)方程式分析可知：四氯化硅的氫氣還原反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，只有當(dāng)外延生長溫度大于一千度時(shí)，才有明顯的化學(xué)反應(yīng)速率，才不影響外延生長的進(jìn)行；四氯化硅的氫氣還原反應(yīng)伴有若干副反應(yīng)，這些副反應(yīng)是指反應(yīng)劑四氯化硅和反應(yīng)副產(chǎn)物氯化氫對(duì)生長層（襯底）的腐蝕反應(yīng)，副反應(yīng)的存在和加強(qiáng)顯然會(huì)影響和嚴(yán)重影響外延生長速率，本節(jié)介紹了這些影響、并對(duì)保正外延向正方向進(jìn)行提出了調(diào)控措施；由對(duì)化學(xué)反應(yīng)模式分析可知：外延生長的化學(xué)反應(yīng)過程是由兩步完成的，其基于化學(xué)反應(yīng)的分子碰撞理論。本節(jié)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)步驟進(jìn)行了分析，它包含了反應(yīng)劑四氯化硅由氣相向生長層表面的質(zhì)量轉(zhuǎn)移、反應(yīng)劑四氯化硅在生長層表面被吸附、在生長層表面反應(yīng)劑四氯化硅與還原劑氫氣反應(yīng)、反應(yīng)生成的副產(chǎn)物的排出和反應(yīng)生成的高能、游離態(tài)硅原子的淀積、加接等若干過程，而高能、游離態(tài)硅原子的如何淀積、加接是外延生長的結(jié)晶學(xué)原理。本節(jié)介紹了外延生長的結(jié)晶學(xué)過程和結(jié)晶學(xué)原理，其結(jié)晶學(xué)過程是由化學(xué)反應(yīng)獲得的高能、游離態(tài)硅原子→淀積于襯底表面上→在表面上移動(dòng)希望按襯底晶格加接→首先形成若干分立的（具有原子〈雙層原子面-不可分割〉厚度的）晶核→隨其它硅原子在晶核上加接、晶核擴(kuò)大→形成若干分立（非對(duì)稱六棱形的）結(jié)晶體→隨其它硅原子在結(jié)晶體上加接、結(jié)晶體擴(kuò)大→若干分立的結(jié)晶體連成一片→形成一層（具有原子厚度的）新單晶層→再在新單晶層形成若干分立的（具有原子厚度的）晶核→再晶核擴(kuò)大→…→形成一定厚度的外延新單晶層；基于上述外延生長的結(jié)晶學(xué)過程本節(jié)就為什么首先形成晶

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核、形成的晶核為什么是分立的、形成晶核的理論、如何由晶核形成結(jié)晶體、結(jié)晶體形成受到的結(jié)晶學(xué)上的限制、為什么在{111}面上的結(jié)晶體是非對(duì)稱六棱形的等等結(jié)晶學(xué)問題和原理進(jìn)行了討論。本節(jié)還對(duì) 外延系統(tǒng)及外延生長速率進(jìn)行了介紹和討論。關(guān)于外延生長系統(tǒng)，對(duì)典型的臥式外延生長反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行了形態(tài)討論，指出外延生長反應(yīng)系統(tǒng)是一個(gè)流體系統(tǒng)、介紹了流體的兩個(gè)性質(zhì)、給出了流體的兩種流動(dòng)形態(tài)、流體形態(tài)判據(jù)和判定、以及對(duì)實(shí)際外延系統(tǒng)中的流體形態(tài)進(jìn)行了討論，在本部分討論中涉及了部分流體力學(xué)的內(nèi)容。為了更好的討論外延生長速率，本節(jié)還給出了附面層的概念，由于流體的粘滯性而導(dǎo)致外延基座上方的流體流速存在變速的區(qū)域，由此引入了速度附面層的概念，同時(shí)給出了速度附面層的厚度表達(dá)式；由于速度附面層的存在，導(dǎo)致外延基座上方的極小區(qū)域內(nèi)存在反應(yīng)劑濃度的變化，由此引入了質(zhì)量附面層的概念，同時(shí)給出了質(zhì)量附面層的厚度表達(dá)式。在外延生長速率的討論中，建立了外延生長模型、由模型討論得到了外延生長速率的表達(dá)式、對(duì)外延生長速率的表達(dá)式進(jìn)行了極限分析；討論了影響外延生長速率的溫度因素、反應(yīng)劑濃度因素、混合氣體流量因素、以及在外延生長系統(tǒng)中，襯底片位置量的變化外延生長速率的影響；為了改善外延生長前后不均勻的現(xiàn)象，本節(jié)給出了兩個(gè)工藝措施。

課程難點(diǎn)：首先要對(duì)外延生長過程有一個(gè)整體的概念。在{111}面上進(jìn)行四氯化硅的氫氣還原外延生長的化學(xué)反應(yīng)原理，其反應(yīng)過程、反應(yīng)中的狀態(tài)、反應(yīng)中的步驟、化學(xué)反應(yīng)的正反應(yīng)和副反應(yīng)（包含逆反應(yīng)）。四氯化硅的氫氣還原外延生長的結(jié)晶學(xué)原理，其外延生長的結(jié)晶過程、結(jié)晶學(xué)的成核理論（結(jié)晶學(xué)理論和共價(jià)鍵理論）、晶核擴(kuò)展理論、結(jié)晶體的形成、結(jié)晶體擴(kuò)展理論、以及外延層的厚度長成和平坦擴(kuò)展理論。實(shí)際臥式外延反應(yīng)系統(tǒng)的分析，為流體系統(tǒng)、具有流體的兩個(gè)特性、流體的兩種流動(dòng)形態(tài)、流體流形的判據(jù)和判定、實(shí)際外延系統(tǒng)的流體流形。外延生長系統(tǒng)中兩個(gè)附面層的定義、表達(dá)式及對(duì)外延生長的指導(dǎo)意義。外延模型的建立、理解和分析；外延模型對(duì)推導(dǎo)外延生長速率的指導(dǎo)意義；應(yīng)用外延生長速率簡化表達(dá)式的極限條件分析；影響外延生長速率的各種因素討論及分析。

基本概念：

1 外延生長過程-外延化學(xué)反應(yīng)過程與外延結(jié)晶過程的連續(xù)、不斷、重復(fù)進(jìn)行的全過程。

2歧化特性-指一種物質(zhì)在同一個(gè)反應(yīng)中既起氧化劑的作用又起還原劑作用的性質(zhì)。

3 歧化反應(yīng)-符合歧化特性的化學(xué)反應(yīng)。

4表面吸附-指固體表面對(duì)氣相物質(zhì)的吸引、固定。

5 流體的粘滯性-當(dāng)流體饒流固體表面時(shí)，由于分子（原子）間的作用力（吸引力），使原來等速流進(jìn)的流體在固體表面上方出現(xiàn)非等速流進(jìn)的的現(xiàn)象，稱為粘滯現(xiàn)象；流體的這種性質(zhì)稱為粘滯性。

6流體的連續(xù)性-指流體是由無數(shù)連續(xù)運(yùn)動(dòng)的微團(tuán)構(gòu)成，在自然界無間斷點(diǎn)的性質(zhì)。

7流體的紊流態(tài)-指流體中連續(xù)運(yùn)動(dòng)的微團(tuán)運(yùn)動(dòng)處于雜亂無章的狀態(tài)，也稱湍流態(tài)。

8流體的層流態(tài)-指流體中連續(xù)運(yùn)動(dòng)的微團(tuán)運(yùn)動(dòng)有序，形成彼此互不干擾的流線（流層）的狀態(tài)。

9速度附面層-由于流體的粘滯作用，而使外延平板基座上方流體流速分布受到干擾的區(qū)域。由于該區(qū)域中的流體流速滯慢于層外，也稱為滯流層。

10質(zhì)量附面層-外延平板基座上方、速度附面層內(nèi)，反應(yīng)劑濃度（質(zhì)量）有較大變化的區(qū)域。

11反應(yīng)劑的氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)-單位時(shí)間內(nèi)，由氣相到達(dá)單位面積表面的反應(yīng)劑粒子數(shù)。

12 自摻雜效應(yīng)——指在外延過程中，氣氛對(duì)襯底表面的腐蝕而使主氣流中雜質(zhì)濃度起變化，從而造成前、后硅片的摻雜濃度不同的現(xiàn)象。

基本要求：熟知外延生長過程的定義，知道外延生長過程是由外延化學(xué)反應(yīng)過程與外延結(jié)晶過程的連續(xù)、不斷、重復(fù)進(jìn)行構(gòu)成的。知道在{111}面上進(jìn)行四氯化硅的氫氣還原外延生長的化學(xué)反應(yīng)原理，其反應(yīng)過程、反應(yīng)中的狀態(tài)、反應(yīng)中的步驟、化學(xué)反應(yīng)的正反應(yīng)和副反應(yīng)（包含逆反應(yīng)）；知道化學(xué)反應(yīng)的副反應(yīng)（包含逆反應(yīng)）對(duì)外延生長的不利影響，以及是如何影響的；清楚為什么該外延生長的化學(xué)反應(yīng)不能一步進(jìn)行，而兩步進(jìn)行的可能性更大；清楚可能的第二步反應(yīng)是歧化反應(yīng)，歧化反應(yīng)是如何定義的；清楚的知道外延生長的化學(xué)反應(yīng)步驟，知道每一步的具體內(nèi)容；清楚副產(chǎn)物不能及時(shí)排出系統(tǒng)對(duì)外延帶來得弊端。知道四氯化硅的氫氣還原外延生長的結(jié)晶學(xué)原理，了解其外延生長的結(jié)晶過程，是如何由化學(xué)反應(yīng)得到的高能、游離態(tài)硅原子通過加接而形成一層外延層完美表面的，而一定厚度的外延層是如何獲得的；知道結(jié)晶學(xué)的成核理論，從結(jié)晶學(xué)理論是如何根據(jù)原子團(tuán)半徑來決定成核條件的、從共價(jià)鍵理論又是如何表明單原子直接加接和雙原子同時(shí)加接不能形成穩(wěn)定晶核的，而形成穩(wěn)定晶核至少需要三個(gè)或三個(gè)以上的原子同時(shí)加接；清楚晶核擴(kuò)展理論，知道為什么在晶核上單原子直接加接和雙原子同時(shí)加接均能形成穩(wěn)定的加接，而使晶核得到擴(kuò)展；知道結(jié)晶體的形成、結(jié)晶體擴(kuò)展理論，清楚為什么由于原子在晶核上加接、沿六個(gè)[110]向和六個(gè)[112]向擴(kuò)展的結(jié)果是形成六棱結(jié)晶體，而且該六棱結(jié)晶體還是非對(duì)稱的；知道外延層的平坦擴(kuò)展理論和厚度長成理論，即知道為什么不會(huì)在沒長平的外延層表面上形成新的晶核，知道外延生長結(jié)晶過程重復(fù)不斷進(jìn)行即可獲得所要求厚度的外延層。知道外延生長的動(dòng)力學(xué)原理，即由此進(jìn)行外延系統(tǒng)分析和外延模型的建立、分析，從而得到外延生長速率表達(dá)式。關(guān)于外延系統(tǒng)分析，知道為什么實(shí)際外延生長系統(tǒng)是一個(gè)流體系統(tǒng)，流體具有的粘滯性和連續(xù)性的具體含義及對(duì)外延過程的指導(dǎo)意義；知道流體可能存在的兩種流動(dòng)形態(tài)，清楚哪一種流動(dòng)形態(tài)是外延工藝所希望的，而實(shí)際外延系統(tǒng)中的流動(dòng)形態(tài)是怎樣的；關(guān)于外延系統(tǒng)中的附面層概念，知道為什么要引入速度附面層概念，速度附面層是如何定義的，速度附面層的厚度表達(dá)式；知道為什么要引入質(zhì)量附面層概念，質(zhì)量附面層是如何定義的，為什么說是質(zhì)量附面層是由于速度附面層的存在而出現(xiàn)的，質(zhì)量附面層的厚度表達(dá)式，為什么說是質(zhì)量附面層厚度是速度附面層厚度的函數(shù)。關(guān)于外延模型的建立、分析和外延生長速率，能夠根據(jù)實(shí)際外延生長系統(tǒng)建立可用的外延生長模型，其中有可分析的外延層次關(guān)系，能夠通過分析討論得到外延生長速率表達(dá)式；清楚在什么極限條件下可采用不同的簡化外延生長速率表達(dá)式；知道影響外延生長速率的各種工藝因素，以及它們是如何對(duì)外延生長速率造成影響的；對(duì)外延生長的前后不均勻性，能夠采取適當(dāng)工藝措施克服之。