SiCl/H外延生长单晶硅反应机理的理论研究

摘要

本论文采用Guassian98程序，密度泛函B3LYP/6-311G*方法，首次在理论上对以SiCl4作为硅源，在常压氢气氛下实际外延生长单晶硅的整个过程的微观反应机理进行了理论研究。计算得到了各反应通道中的反应物、过渡态和产物的构型，给出了每个反应通道的反应活化能。对所有过渡态的虚频振动模式进行了分析，并进一步作IRC(内禀反应坐标)路径分析，来最终确认我们所找的过渡态是准确的。 计算得到整个气相反应的主反应通道为：SiCl4与H2反应生成SiHCl3和HCl，SiHCl3自行热分解生成SiCl2和HCl，SiCl2与H2继续反应直至最后生成SiH4。但在气相中不能生成硅原子。分别用Si2、Si4、Si9H12原子簇模拟硅衬底，计算结果表明：在气相中不能直接生成的Si原子可以在硅衬底上生成并吸附于衬底上，从而完成晶体生长。SiCl4吸附后的产物与H2的反应均要低于其在气相反应中所需的活化能，因此反应主要在衬底上发生，且衬底在反应中起到了一定的催化作用。用TST方法计算了在900-1600K温度范围内各反应的速率常数，可以得到：整个气相反应的决速步为反应的前两步。而SiCl4在衬底表面吸附过程速率常数很大，反应很快。硅衬底表面吸附分解后的产物与H2间的反应速率相比之下慢很多，是反应的决速步，但比在SiCl4与H2在气相中直接反应的反应速率要大的多。 本论文能解释该体系气相外延生长单晶硅的一些实验现象，从理论上给出了化学反应的微观反应机理，为实验工作者设计实验工艺以及提高工作效率，提供了动力学信息。

目录

第一章前言

1.1引言

1.2 SiCl4/H2外延生长单晶硅反应实验研究状况

1.3 SiCl4/H2外延生长单晶硅反应理论研究状况

1.4本论文工作

参考文献

第二章理论基础

2.1分子轨道理论

2.1.1.闭壳层组态的Hartree-Fock-Roothaan(HFR)方程

2.1.2.开壳层组态的HFR方程

2.2密度泛函理论

2.3振动频率的计算

2.3.1.谐振频率的计算

2.3.2.零点振动能

2.4化学反应过渡态的计算方法

2.4.1.化学反应过渡态的数学模型

2.4.2.过渡态的计算方法

2.4.3.反应速率常数理论

2.5基组的选择

参考文献

第三章 SiCl4/H2气相反应机理的理论研究

3.1计算方法

3.2结果与讨论

3.2.1.SiCl4/H2气相初始反应微观反应机理分析

3.2.2.SiHCl3和H2气相反应微观反应机理分析

3.2.3.SiCl2和H2气相反应微观反应机理分析

3.3结论

参考文献

第四章SiCl4/H2在硅衬底表面上反应机理的理论研究

4.1计算方法

4.2结果与讨论

4.2.1 Si2原子簇模型

4.2.2 Si4原子簇模型

4.2.3 Si9H12原子簇模型

4.3结论

参考文献

第五章总结

致谢

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