上海交大梁正：探究表面杂原子对硅烷解离影响

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多晶硅（polysilicon）是太阳能电池、储能设备和半导体领域中广泛使用的关键材料。随着这些产业的发展，高质量和高纯度多晶硅的制备变得愈发重要。目前，制备高纯度多晶硅的最常见方法是化学气相沉积（CVD），主要使用含硅化合物作为前驱体，这些前驱体在高温下热解。

硅基底的表面杂原子也可能影响硅的沉积反应。在制备硅棒的过程中，很难保持硅芯表面（硅棒生长的衬底）完全干净。硅芯的表面可能含有由于氧化而形成的微量氧。为了消除氧的影响，通常会用氢处理硅芯的表面。然而，经过氢钝化的硅芯表面可能会引入少量氢。因此，本研究采用密度泛函理论（DFT）来研究沉积衬底表面杂原子对硅烷的表面反应的影响。在这里，多晶硅棒是通过高温硅烷热解制备的。氢的脱附速度很快，不会影响表面反应速率。因此，我们主要关注硅烷在衬底表面的解离。为了实现硅棒的均匀生长，还计算了不同硅表面上硅原子迁移的能垒，以选择最佳的沉积硅衬底。

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成果简介

 化学气相沉积（CVD）是制备高质量多晶硅的最重要方法之一。本文采用密度泛函理论（DFT）研究了表面杂原子对CVD制备的多晶硅生长的影响。对三种硅（111）表面进行了计算，包括清洁的硅表面、含氧的硅表面和含氢的硅表面，计算了硅烷的解离活化能和表面硅原子的迁移能垒。计算结果显示，在清洁的硅表面上，硅烷解离的活化能为1.71电子伏，高于氧化硅表面的1.04电子伏，与含氢硅表面的1.74电子伏相近。因此，在部分氧化的硅衬底上，硅的沉积更倾向于发生在氧化区域。而在氢化的硅衬底上，硅的沉积将均匀分布在整个表面。

此外，计算了硅原子在清洁、氧化和氢化表面上的表面迁移能垒，分别为0.27电子伏、0.24电子伏和0.05电子伏。氢化衬底上较低的迁移能垒表明硅的沉积更加均匀。随后，实验数据证实了这一发现。这项研究为高质量多晶硅的制备提供了理论基础，并为工业级生产均匀致密多晶硅棒提供了有价值的操作指导。

03     图文导读  

图1清洁的Si(111)表面（a）、氧化的Si(111)表面（b）和氢化的Si(111)表面（c）上表面Si的态密度图；清洁的Si(111)表面（d）、氧化的Si(111)表面（e）和氢化的Si(111)表面（f）上Si 3s 和3p轨道的态密度图。

 

图2清洁的Si(111)表面（a）、氧化的Si(111)表面（b）和氢化的Si(111)表面（c）上原子的电子定域函数。

   

图3 (a) 清洁的Si(111)表面上第一步解离反应路径和 (b) SiH4总体解离的能量图。

 

图4 (a) 氧化的Si(111)表面上第一步解离反应路径和 (b) SiH4总体解离的能量图。

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图5 (a) 氢化的Si(111)表面上第一步解离反应路径和 (b) SiH4总体解离的能量图。

 

图6 表面硅原子的扩散路径和迁移能垒 (a) 在清洁的Si(111)表面， (b) 在氧化的Si(111)表面，以及 (c) 在氢化的Si(111)表面。

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小结

在这项工作中，使用DFT计算来研究表面异质原子对硅沉积质量的影响。构建了三种不同的Si(111)表面，即清洁的硅表面、氧化的硅表面和氢化的硅表面。计算了在这三种表面上硅烷解离的能量变化和活化能。此外，还比较了这三种表面上沉积硅原子的迁移能垒。根据计算结果，部分氢化的硅表面有助于均匀且减少枝状硅沉积，从而产生高质量的硅棒，而不是珊瑚或玉米棒。此外，从工业实验中收集的实验结果与我们的计算结果一致。我们的计算和解释可以作为工业研究结果的合理解释。本文为制备均匀且减少枝状硅棒提供了理论依据。

审核编辑：刘清