多晶硅还原反应的影响因素

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1、多晶硅还原反应的影响因素（一）多晶硅在还原炉内的沉积过程受到众多因素的影响，包括还原炉结构、硅棒布置方式、沉积温度、炉内压力、三氯氢硅和氢气的流量以及二者的配比、停留时间以及硅棒的电流、电压等。这些因素相互制约，相互影响，对多晶硅的沉积质量以及单位产品电耗都有直接的关系。1、反应温度SiHCl3被氢气还原以及热分解的反应是吸热反应。所以，从理论上来说，反应的温度愈高则愈有利于反应的进行，此时硅的沉积速率也就越高。温度愈高，沉积速度愈快，达到反应平衡的时间也越短，趋向平衡的程度也越近。系统含SiHCl3、SiCl4、H2、HCl、SiH2Cl2以及硅粉的组份，在800℃～1400℃之间的吉布斯

2、自由能最小原则进行计算平衡时各组份的平衡量，氢气和TCS的量分别为3kmol/hr和1Kmol/hr。从图6.1就可以看出，随着温度升高，达到平衡状态时，系统的硅收率增加，STC降低，H2的耗量明显增加（系统中H2的含量随着温度的升高而降低）。在图1中，当温度升到1150℃之后，TCS的变化趋势和1150℃之前相差不大，但STC的变化却加快。1150℃之后HCl斜率几乎是之前的两倍。图1温度对各组分含量的影响结合下面两反应式（1）和（2），SiHCl3＋H2－→Si+3HCl－Q………………………（1）SiHCl3＋3HCl－→SiCl4+2H2+Q………………………（2）可以看出，随着反应

3、温度增加，Si和HCl的生成量在增加，氢气的耗量在增加，而SiCl4的生成量在减少。说明温度升高，对（1）有利，对（2）有抑制作用。另外反应（2）从右向左即是SiCl4的热氢化工艺，即反应温度升高，不仅可以增加硅的收率，而且可以抑制三氯氢硅变成四氯化硅。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

4、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

5、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

6、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。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（morphologylevelrating）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（popc

7、orn）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