Химическая кинетика

Для выращивания эпитаксиального кремния используются четыре кремнийсодержащих реагента. Это тетрахлорид кремния (SiCl₄), трихлорсилан (SiHCl₃), дихлорсилан (SiH₂Cl₂) и силан (SiH₄). Тетрахлорид кремния изучен лучше других и наиболее широко используется в производстве.

На примере тетрахлорида кремния рассмотрим химические процессы, протекающие в реакторе. Суммарная реакция может быть классифицирована как водородное восстановление Si из SiH₄:

SiCl_4газ+ 2H_2газSi_тв+ 4HCl_газ.

Рассмотрим ряд промежуточных реакций. Сначала определим константы равновесия каждой возможной реакции в системе Si-Cl-H, а также парциального давления каждого газа в интересующем нас диапазоне. При расчете констант равновесия получено 14 различных соединений, существующих в равновесии с твердым кремнием. На практике многими из них можно пренебречь, так как их парциальное давление < 0,1Па.

Эпитаксиальный процесс не всегда описывается равновесной реакцией. Поэтому, расчет равновесной термодинамики указывает лишь на наиболее вероятные реакции. Для определения соединений, реально присутствующих в реакторе, проводили измерения с использованием ИК-спектроскопии, масс-спектроскопии и рамановской спектроскопии.

В среде SiCl₄ + 2H₂ при температуре 1200 градусов Цельсия было обнаружено четыре соединения.

Реакции, протекающие в реакторе:

SiCl₄ + H₂ SiHCl₃ + HCl
SiCl₃ + H₂ SiH₂Cl₂ + HCl
SiH₂Cl₂ SiCl₂ + H₂
SiHCl₃ SiCl₂ + HCl
SiCl₂ + H₂ Si + 2HCl

Все указанные реакции обратимые, и, следовательно, при соответствующих условиях скорость роста может стать отрицательной, т.е. начнется процесс травления.

Наиболее важный вопрос - вопрос о зависимости скорости роста от температуры. При высоких и низких температурах скорость роста имеет отрицательные значения.

Это показано на следующем рисунке:

Зависимость скорости роста от температуры при нанесении кремния
химическим осаждением из парогазовой фазы.