§2.2.1 四氯化硅的氢气还原法外延生长过程
1 化学原理
1.1 四氯化硅的氢气还原机理
1.1.1 为吸热反应
1.1.2 伴有有害副反应
1.1.3 整个反应过程分两步进行
1.2 反应步骤分析
1.2.1 四氯化硅质量转移到生长层表面
1.2.2 四氯化硅在生长层表面被吸附
1.2.3 在生长层表面上四氯化硅与氢气反应
1.2.4 副产物的排除
1.2.5 硅原子在生长层表面的加接
2 {111}面硅外延生长的结晶学原理
2.1 晶核的形成
2.1.1 结晶学核化理论
2.1.2 共价键理论
2.2 结晶体的形成
2.2.1 晶核沿六个[110]向和六个[112]向扩展
2.2.2 （111）面上的结晶体是六棱形的
2.2.3 （111）面上的六棱形结晶体是非对称的
2.3 生长面的平坦扩展
§2.2.2 外延系统及外延生长速率
1 外延系统的形态
1.1 外延系统的流体形态
1.1.1 流体的连续性
1.1.2 流体的粘滞性
1.2 流体的两种流动形态
1.2.1 流体的紊流态
1.2.2 流体的层流态
1.3 流体形态判据及外延系统中的流体流形
1.3.1平板雷诺数
1.3.2 流体流形判定
1.3.3 外延系统中的流体形态
2 外延系统中的附面层概念
2.1 速度附面层
2.1.1 实际外延系统近似
2.1.2 速度附面层定义
2.1.3 速度附面层的厚度表达式
2.2 质量附面层
2.2.1 质量附面层定义
2.2.2 质量附面的厚度表达式
3 外延生长速率
3.1 外延生长模型的建立
3.2 外延生长速率
3.2.1 外延生长速率的表达式
3.2.2 两种极限条件下的外延生长速率
4 影响外延生长速率的诸因素
4.1 与温度的关系
4.1.1 化学反应速率常数与温度的关系
4.1.2 气相质量转移系数与温度的关系
4.1.3 实际外延温度的选择
4.2 与反应剂浓度的关系
4.3 与气体流量的关系
4.4 与衬底片位置量的关系
5 改善外延生长前后不均匀的工艺措施
5.1 适当增大混合气体的流量
5.2 使基座相对气流倾斜一小角度
课程重点：本节以四氯化硅的氢气还原法外延生长作为重点，讨论了在{111}面上进行硅外延的所有化学反应机理和结晶生长原理。根据分析可知：整个外延过程实际上是外延生长的化学反应过程与外延生长的结晶过程的连续地、不断地、重复进行的综合过程。本节讨论了外延生长的化学反应原理。由化学反应方程式分析可知：四氯化硅的氢气还原反应是一个吸热反应，只有当外延生长温度大于一千度时，才有明显的化学反应速率，才不影响外延生长的进行；四氯化硅的氢气还原反应伴有若干副反应，这些副反应是指反应剂四氯化硅和反应副产物氯化氢对生长层（衬底）的腐蚀反应，副反应的存在和加强显然会影响和严重影响外延生长速率，本节介绍了这些影响、并对保正外延向正方向进行提出了调控措施；由对化学反应模式分析可知：外延生长的化学反应过程是由两步完成的，其基于化学反应的分子碰撞理论。本节对化学反应的反应步骤进行了分析，它包含了反应剂四氯化硅由气相向生长层表面的质量转移、反应剂四氯化硅在生长层表面被吸附、在生长层表面反应剂四氯化硅与还原剂氢气反应、反应生成的副产物的排出和反应生成的高能、游离态硅原子的淀积、加接等若干过程，而高能、游离态硅原子的如何淀积、加接是外延生长的结晶学原理。本节介绍了外延生长的结晶学过程和结晶学原理，其结晶学过程是由化学反应获得的高能、游离态硅原子→淀积于衬底表面上→在表面上移动希望按衬底晶格加接→首先形成若干分立的（具有原子〈双层原子面-不可分割〉厚度的）晶核→随其它硅原子在晶核上加接、晶核扩大→形成若干分立（非对称六棱形的）结晶体→随其它硅原子在结晶体上加接、结晶体扩大→若干分立的结晶体连成一片→形成一层（具有原子厚度的）新单晶层→再在新单晶层形成若干分立的（具有原子厚度的）晶核→再晶核扩大→…→形成一定厚度的外延新单晶层；基于上述外延生长的结晶学过程本节就为什么首先形成晶
课程难点：首先要对外延生长过程有一个整体的概念。在{111}面上进行四氯化硅的氢气还原外延生长的化学反应原理，其反应过程、反应中的状态、反应中的步骤、化学反应的正反应和副反应（包含逆反应）。四氯化硅的氢气还原外延生长的结晶学原理，其外延生长的结晶过程、结晶学的成核理论（结晶学理论和共价键理论）、晶核扩展理论、结晶体的形成、结晶体扩展理论、以及外延层的厚度长成和平坦扩展理论。实际卧式外延反应系统的分析，为流体系统、具有流体的两个特性、流体的两种流动形态、流体流形的判据和判定、实际外延系统的流体流形。外延生长系统中两个附面层的定义、表达式及对外延生长的指导意义。外延模型的建立、理解和分析；外延模型对推导外延生长速率的指导意义；应用外延生长速率简化表达式的极限条件分析；影响外延生长速率的各种因素讨论及分析。
基本概念：
1 外延生长过程-外延化学反应过程与外延结晶过程的连续、不断、重复进行的全过程。
2歧化特性-指一种物质在同一个反应中既起氧化剂的作用又起还原剂作用的性质。
3 歧化反应-符合歧化特性的化学反应。
4表面吸附-指固体表面对气相物质的吸引、固定。
5 流体的粘滞性-当流体饶流固体表面时，由于分子（原子）间的作用力（吸引力），使原来等速流进的流体在固体表面上方出现非等速流进的的现象，称为粘滞现象；流体的这种性质称为粘滞性。
6流体的连续性-指流体是由无数连续运动的微团构成，在自然界无间断点的性质。
7流体的紊流态-指流体中连续运动的微团运动处于杂乱无章的状态，也称湍流态。
8流体的层流态-指流体中连续运动的微团运动有序，形成彼此互不干扰的流线（流层）的状态。
9速度附面层-由于流体的粘滞作用，而使外延平板基座上方流体流速分布受到干扰的区域。由于该区域中的流体流速滞慢于层外，也称为滞流层。
10质量附面层-外延平板基座上方、速度附面层内，反应剂浓度（质量）有较大变化的区域。
11反应剂的气相质量转移系数-单位时间内，由气相到达单位面积表面的反应剂粒子数。
12 自掺杂效应——指在外延过程中，气氛对衬底表面的腐蚀而使主气流中杂质浓度起变化，从而造成前、后硅片的掺杂浓度不同的现象。
基本要求：熟知外延生长过程的定义，知道外延生长过程是由外延化学反应过程与外延结晶过程的连续、不断、重复进行构成的。知道在{111}面上进行四氯化硅的氢气还原外延生长的化学反应原理，其反应过程、反应中的状态、反应中的步骤、化学反应的正反应和副反应（包含逆反应）；知道化学反应的副反应（包含逆反应）对外延生长的不利影响，以及是如何影响的；清楚为什么该外延生长的化学反应不能一步进行，而两步进行的可能性更大；清楚最可能的第二步反应是歧化反应，歧化反应是如何定义的；清楚的知道外延生长的化学反应步骤，知道每一步的具体内容；清楚副产物不能及时排出系统对外延带来得弊端。知道四氯化硅的氢气还原外延生长的结晶学原理，了解其外延生长的结晶过程，是如何由化学反应得到的高能、游离态硅原子通过加接而形成一层外延层完美表面的，而一定厚度的外延层是如何获得的；知道结晶学的成核理论，从结晶学理论是如何根据原子团半径来决定成核条件的、从共价键理论又是如何表明单原子直接加接和双原子同时加接不能形成稳定晶核的，而形成稳定晶核至少需要三个或三个以上的原子同时加接；清楚晶核扩展理论，知道为什么在晶核上单原子直接加接和双原子同时加接均能形成稳定的加接，而使晶核得到扩展；知道结晶体的形成、结晶体扩展理论，清楚为什么由于原子在晶核上加接、沿六个[110]向和六个[112]向扩展的结果是形成六棱结晶体，而且该六棱结晶体还是非对称的；知道外延层的平坦扩展理论和厚度长成理论，即知道为什么不会在没长平的外延层表面上形成新的晶核，知道外延生长结晶过程重复不断进行即可获得所要求厚度的外延层。知道外延生长的动力学原理，即由此进行外延系统分析和外延模型的建立、分析，从而得到外延生长速率表达式。关于外延系统分析，知道为什么实际外延生长系统是一个流体系统，流体具有的粘滞性和连续性的具体含义及对外延过程的指导意义；知道流体可能存在的两种流动形态，清楚哪一种流动形态是外延工艺所希望的，而实际外延系统中的流动形态是怎样的；关于外延系统中的附面层概念，知道为什么要引入速度附面层概念，速度附面层是如何定义的，速度附面层的厚度表达式；知道为什么要引入质量附面层概念，质量附面层是如何定义的，为什么说是质量附面层是由于速度附面层的存在而出现的，质量附面层的厚度表达式，为什么说是质量附面层厚度是速度附面层厚度的函数。关于外延模型的建立、分析和外延生长速率，能够根据实际外延生长系统建立可用的外延生长模型，其中有可分析的外延层次关系，能够通过分析讨论得到外延生长速率表达式；清楚在什么极限条件下可采用不同的简化外延生长速率表达式；知道影响外延生长速率的各种工艺因素，以及它们是如何对外延生长速率造成影响的；对外延生长的前后不均匀性，能够采取适当工艺措施克服之。
