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关于低压硅外延生长的热力学研究
低压硅外延生长是一种重要的半导体技术，已经得到广泛的应用。在低压硅外延生长过程中，维持合适的气氛和温度对外延的生长有着决定性的影响。本文将重点探讨低压硅外延生长的热力学研究，包括外延生长的热力学基础、反应机理和影响外延生长的因素。
一、低压硅外延生长的热力学基础
外延生长是一种非常复杂的物理化学过程，涉及到多种相变反应和物质输运过程。在低压硅外延生长中，生长温度和气氛的控制是非常重要的，这是因为生长温度和气氛是影响外延生长的主要因素。
该技术利用的是化学气相沉积方法，外延生长所需要的原料是气相中的硅化合物，气相中的硅化合物主要由硅烷和硅气分子组成。在低压硅外延生长的过程中，生长室内需要供给高纯度的硅源气体、载气体和掺杂气体。这些气体在生长室内混合并被加热激发，因而生成硅原子、氢离子和氮原子等等，这些原子及离子在衍生过程中相互吸附而形成表面原子层，并最终逐层地组装生成所需厚度的晶体。这些起始原子所占的表面就是常说的生长界面。低压硅外延生长技术中，需要将外延生长温度保持在适当的范围内，通常温度控制在1150℃至1300℃之间。同时，为了外延的生长速度能够得到控制，还需要控制不同气相中各成分的压力比例。
二、反应机理
在低压硅外延生长的过程中，主要反应如下：
（1）SiH4+H2→Si+2H2
（2）SiH4+HCl→SiCl2H2
（3）SiCl2H2+H2→Si+2HCl
（4）SiCl4+H2→Si+4HCl
（5）SiH2Cl2+H2→2Si+2HCl
（6）SiH3Cl+SiCl2H2→Si2H4Cl4
可见，外延的生长过程涉及多个反应，其中最核心的反应是硅源气体（主要是硅烷和二硅烷）的裂解、去氢反应和表面原子层的清洗反应。这些反应分别代表着在生长温度下从气相向晶体表面转移SiHx、SiClxH4-x、H2等气体分子，同时原子间又会发生反应，形成原子层并逐层组装成为完整的晶体。
对于低压硅外延生长反应过程中的硅源气体，其分解反应可以看作是一个比较复杂的动力学过程。其中，SiH4是一种重要的气体源，其分解反应主要分为高势垒反应和低势垒反应两种。高势垒反应是指在硅表面成核之前，SiH4分子必须首先脱氢，生成反应物，这个反应过程的能量势垒较高。低势垒反应则是指在硅表面已有足够数量的硅原子聚拢后，反应物分子可以直接吸附在表面，因而这个反应过程的能量势垒较低。所以，低势垒反应是低压硅外延生长过程中较为主要的反应途径。
三、影响低压硅外延生长的因素
外延生长是一种复杂的过程，受多种因素的影响。在低压硅外延生长中，气氛和温度是影响外延生长的主要因素。
在低压硅外延生长的过程中，气氛是非常重要的。气氛的控制直接影响着SiHx、SiClxH4-x、H2各个气体分子在固体表面的吸附和反应，进而影响晶体生长速率和晶体品质。因此，气氛中气体成分的温度和压强控制是非常重要的。
生长温度对外延生长也有着决定性的影响。因为生长温度可以直接影响到外延生长速率、多晶硅晶体品质。特别的，高生长温度、低氢气分压和较大的SiCl4/H2比例，容易在晶格内引入氯离子，并在热解制造非晶体Si3N4氮化物时发挥作用。
此外，硫氢等其它轻杂质的存在，也可能直接导致外延晶体表面发生失调，从而降低外延晶体品质。因此，在低压硅外延生长过程中需要保持硅源气体、载气体和掺杂气体的纯度。
总之，低压硅外延生长技术从热力学角度来说，主要集中在研究硅气相反应、表面吸附与脱附等方面，应用这些研究成果开发更高质量、更低成本的硅外延技术，对推动晶体生长领域的发展，具有重要意义。