硅外延中的化学原理

硅外延中的化学原理

一氢气的纯化原理

1 分子筛:他是一种人工合成的高效硅铝酸盐,具有微孔结构的晶体,脱水后的分子筛产

生许多肉眼看不见的大小相同的孔洞,具有很强的吸附力,能把小于孔洞的分子吸进孔洞而被吸附,大于孔洞的分子挡在孔外,从分子筛小晶粒间通过.此外,是否被吸附还与物质分子的极性有关,一般来说对极性强的,不饱和性大的分子有优先被吸附的能力.如优先吸附水,氨,硫化氢等极性分子,而对氢,甲烷等非极性分子不吸附.

分子筛分A,X,Y型,具有以下特性:

①分子筛可以用来选择性吸附水分.

②气体相对湿度低时具有良好的吸附容量,而且不会被液态水损坏.

③具有热稳定性,低高温都可使用.

④再生可连续使用,吸收的水分可在350—500℃下加热除去.

2 脱氧剂

又称C-05催化剂,是含0.03﹪钯的分子筛.工作原理:在常温下氢气通过其表面时,氢气中的氧和氢化合生成水,反应如下:

2H

2+O

2

→2H

2

O+Q

催化反应在催化剂的表面进行,如果原料氢中的含氧量过高,放热反应使催化剂表面的温度很高,如含氧量大于5﹪则催化剂的表面温度可达800-1000℃,高的温度将使通过的氢被加热,使吸附效率下降,并会使催化剂的稳定性变坏而失去催化作用(在550℃以下较为稳定),所以允许通过的氢含氧量为2.5﹪.

3 钯管的纯化原理

其他的方法只能除水和氧气,但氢气中的氮,碳氢化合物,二氧化碳等就难以除去,而采用钯管纯化氢气则可同时除去上述有害气体.钯管又称钯合金膜管,是一个通过气体扩散的方法来制取高纯氢的装置,氢气的纯度可达8个9,是最好的一种方法.其原理如下:金属钯在一定催化条件下有选择的吸附,溶进和渗透氢气的性质.加热到450℃左右时,由于钯的催化作用,氢分子在合金膜表面离解为氢原子,并进一步离解为氢离子和电子,由于钯的晶格常数为3.88埃,而氢离子的半径仅1.5×10-5埃,所以在催化状态下可以通过,然后又合成氢原子,氢原子再合成氢分子.从而达到氢气有高浓度向低浓度的方向扩散.

4 二氧化硅的结构

二氧化硅晶体:每个硅原子和周围的四个氧原子构成共价键,叫硅氧桥结构.

无定形硅:除存在硅桥结构外,也存在由SIO

4

组成的四面体,氧化工艺中得到的是无定形二氧化硅.湿氧氧化时,还会有非桥键的基(-OH),即硅醇存在.硅桥结构越少,氧化层越疏松.由于硅醇中基的亲水性,易于吸附水,所以湿氧氧化后表面总存留一些水分子不易除尽,这就是疏水的由来.

二氧化硅极易被钠离子污染,使器件漏电增大.

5 硅P-N结显示的化学原理:

3-7﹪的硫酸铜溶液,加几滴氢氟酸,硅可从硫酸铜溶液中置换出铜来,

SI+2CUSO

4+HF→2CU↓+H

2

【SIF

6

】+2H

2

SO

4

由于N型硅较P型硅易失去电子,容易发生置换反应,所以在N型硅上有铜析出,从而出现一条明显的分界线.

6 硅腐蚀的化学原理

通常条件下,硅对浓或稀的硝酸,硫酸以及盐酸都是稳定的,和氢氟酸也不发生反应,硅和硝酸,氢氟酸的混合溶液反应,使硅溶解:

SI+4HNO

3→SIO

2

+2H

2

O+4NO

2

↑(1)

SI0

2+6HF→H

2

【SIF

6

】+2H

2

O

二氧化硅的腐蚀配方:氢氟酸:氟化铵:纯水=3(毫升):6(克):10(毫升)

7 环氧树脂;硅氧型高聚物

①环氧树脂:

以两个碳原子和一个氧原子组成的环状化合物,称环氧乙烷,含环氧乙烷的化合物统称为环氧化和物.

②硅氧型高聚物:

其基本结构是硅氧交替的共价键和连接在硅原子上的弪基,可以看作是在石英的骨架上,接上了不同的基.因此既具有一般高聚物的可塑性,弹性及可溶解性,又有类似于无机高聚物—石英的耐热性与电绝缘性等优点.

硅油:高聚物的链数不大时所生成的液态聚合物叫做硅油.其粘度受温度的影响小,可以在-70℃---300℃之间保持流动性,挥发性小,受热不易氧化,不易燃烧,对化学品抵抗力强,对金属无腐蚀性以及电绝缘性好等优点.另外,他的防水性能优良,在物体外面可以形成一层防水膜.在硅油中加填料的产物叫硅脂.硅橡胶是纯二甲基二氯硅烷水解缩聚(不含三甲基氯硅烷),得到缩合程度较大的直链型聚硅醚,叫做硅橡胶.其优点是:在-60℃--150℃之间仍保持弹性,不变脆,也不变形.

8 硅外延中的常识

外延生长属于异质形核生长.边界层厚度影响生长速率:R小于5400时是层流,大于5400时是湍流.R为雷诺数.淀积速率受所使用的载体种类的影响,用氦气和氩气时生长速率比氢气快.(111)晶面不含台阶称为奇异面,在其上形成平整,光滑的生长很难,这就是奇异面的不稳定性,这就是为什么要偏离3-5°.而(100)和(110)可以生长光华平整的外延层.

外延堆垛层错和乳突是由于衬底沾污引起的,乳突没有晶体学结构.沾污来自于内部杂质源和外部杂质源.内部杂质源主要与衬底杂质外扩散有关.外部可能的来源:外延前石墨基座的扰动,反应室线圈电场产生的静电电荷,它可以增强粒子趋向于衬底表面的吸引力.表面小丘的的形成主要受生长参数的影响,其密度随生长速率和温度倒数的增加而呈指数增加,从而造成橘皮,雾,最终变为多晶硅膜.也有人认为小丘或棱锥体是由于二维核的生长引起的,SI/CL的比值越大越易形成.热应力是位错最普遍的来源.图形漂移的主要原因是晶体学平面生长速率的各向异性,(111)比(100)重.

利用红外技术测厚度必须淀积在相同导电类型的衬底上,衬底的电阻率必须小于0.02Ω•㎝.外延层与衬底的电阻率差别越大则测量越准,因为它的测厚原理利用的是浓度差异从而折射系数不同.如果不是同一种类型,则晶格畸变的方向相反,无法出现反射峰.

在纯氢中,并在1150-1200℃之间保持10分钟可去除自然氧化层.HCL气腐量为1-2﹪时,可非择优腐蚀表面0.1-0.5µm.但HCL的原位腐蚀也可能择优去除硅表面的掺杂剂使电阻率降低,它也可能是重金属杂质的携带气体.是否加HCL根据情况而定,如果表面缺陷是主要问题最好用HCL腐蚀,当自掺杂成为主要问题时用高温处理的方法.

硅的熔点是1412℃,P,N型的掺杂范围10E4-10E18.就生长速率而言(110)晶向最快,(111)最慢.理想无杂质的本征载流子浓度为1.4E14,本征电阻率3E5Ω•㎝.