用于多晶硅生產的基于硅烷的CVD反應器中支配反應和機理是很復雜的，產生的最終材料取決于幾個互相有關的因素。在Siemens流化床或自由空間反應器中不同的機理在起作用。為了描述各種競爭技術的局限性并預告未來反應器的概念，了解這些機理是重要的。硅烷分子的分解經歷了一系列的中間階段后才形成最終產品。反應物濃度、加熱速率、稀釋劑的壓力和熱容量將會影響這些中間階段，在形成非晶或結晶結構中起重要作用。

反應
在硅CVD早期，探索了幾種氣體用于多晶硅生產，但在現今的反應器中常用的是甲硅烷SiH4(硅烷)和三氯硅烷SiHCl3(TCS)。在加熱到分解溫度時，氣體經歷如下反應：

硅烷的分解溫度約為420℃。但在此溫度下，單個硅原子的動能太低不能形成晶體結構。因而，低溫大氣壓分解將形成非晶結構。基于硅烷的CVD反應器工作溫度范圍常常是在650℃-800℃范圍內。有些設計采用在更高溫度下對珠粒后處理以確保形成晶體結構。

TCS的分解溫度約為468℃。但是存在一些分解溫度更高、而且有反應速率與溫度逆相關的可逆反應的中間類型氣體。所以，采用TCS的CVD反應器常常工作在更高的溫度以提高良率，因為非晶結構可能引起氯包覆。這些將引起缺陷，降低材料質量。TCS反應器的典型溫度范圍是850℃～1100℃。

分解反應的順序
硅烷熱解最早的一些研究認為，依據方程(1)，硅烷分子直接分解為硅和氫。可是，后來的研究引入了依據方程(3)的中間階段。乙硅烷分子是甲硅烷和硅之間所要求的中間階段。

但實際的連鎖事件似乎更為復雜，Purnell和Walsh做了更加深入的研究。總的看法是，存在一組復雜的反應，有些可逆反應是以氫化硅結束的，它是含有一些氫的硅，一種硅-氫復合體的混合物和形態可變的硅。Purnell和Walsh的研究結論是，方程(4)描述的反應最有可能是第一步。但是，Robertson、Hils和Gallagher做了一些低壓實驗，認為分解過程是表面起始的。他們傾向于方程(5)描述的反應，不過在CVD腔室中從表面起始。Ring等人做了一些同位素標記研究，也指出方程(5)描述的反應比較有可能。可是，大乙硅烷生產的問題是大家確認的，與附加的反應有關。
隨后通過許多不同的實驗及論文，觀點上的明顯不同得到解決，由方程(4)描述的反應起始的連鎖反應現在認為是最有可能的。盡管表面起始的連鎖反應對于低壓CVD是重要的，但它們不能主導高壓時的情況，特別是在走向較高濃度時。

Coltrin和Breiland等人進行了深入的模擬。他們認為，起始反應方程(4)之后接著是方程(6)-(8)描述的反應，然后模型成長甚至進而結合熱擴散。

另一種看法是，氣相Si2作為硅氣相成核的前驅物。這是在用激光激發熒光法識別加熱表面上方的氣相Si2發現的。甲硅烷熱解過程中生產SiH2已由O`Brien和Atkinson證實，他們指出這將是一個重要的中間步驟。

甲硅烷的分解是復雜的，運載氣體在逆反應中起重要作用。此現象的明顯標志是Slootman與Parent所做的工作，稀釋度的變化改變了關鍵的濃度對溫度比。

淀積
甲硅烷分子分解時，連鎖反應就開始。連鎖反應相當復雜，與甲硅烷濃度、溫度、壓力、約束表面溫度和這些變量的梯度有關。壓力較低的情況下，有顯著的異質淀積傾向，它可能是表面開始分解的標志。對不同條件下淀積的薄膜性質已作了一些研究。大氣壓力下，淀積的硅含有氫，溫度到605℃前是非晶態。氫的量及氫可能釋放的溫度取決于工作條件。若溫度足夠高，淀積將是結晶態。而對于較低的溫度，結構將與工作條件有關。

Herrick和Woodruff研究了SiH4與SiHCl3之間的差異，發現逆反應機理壓制硅CVD反應器工作溫度下三氯硅烷時細粒結晶（fines）的形成，然而，對基于甲硅烷的反應器，細粒結晶的形成卻非常可觀。結果是，三氯硅烷會產生更光亮更純的材料，盡管較低溫度時產額較低。溫度較高時，如像一些Siemens設計那樣，反應器達到許多中間產物的分解溫度，所以增加了產額。這一理論與其他研究人員得到的大量實驗數據完全一致。
產生的微粒數量主要取決于溫度，但濃度、壓力、及稀釋類型也有影響。似乎氫濃度直接影響連鎖反應。Frenklach等用激光散射分析研究了同質產生的微粒生產。他們的發現是，作為溫度函數的新微粒生產在877℃時明顯達到最大值。作者承認解釋微粒形成隨溫度而衰落這個困難任務會進一步增加。他們的解釋寧可是，微粒尺寸隨溫度進一步增加引起不同的光學性質，這將以所用的激光散射方法做出不同解讀。

在他們的模擬中采用了117個基元反應和42種化學物質。Wilke等也支持從硅烷到亞甲硅基到硅的二步法機理。他們的目的是描述在熱壁反應器中在硅片上淀積硅。Caltech的Alam和Flagan幾年來開發了自由空間和流化床技術，在確立微粒生長機理方面做了大量工作。他們研究的中心議題是中間物質的產生和湮滅，以及與這些物質結合中到微粒表面的平均自由程如何決定細粒產生、細粒湮滅及細粒上的異質生長之間的平衡。

微粒平均直徑依據方程(11)求得。C是與微粒生長相應的反應物克分子濃度，αR是每克分子反應物氣體產生的凝聚相材料量，ρP是微粒密度，d0和N0分別是初始微粒直徑和數量濃度。生長受每一微粒能提供的蒸汽量的限制。低蒸汽壓物質不受限成核導致極高的數量濃度。理論指出了二個重要的基本原理：1)由于大量微粒全都競爭留下的同一蒸汽，因而限制了隨后的微粒生長，故初始形成微粒數會影響最后的尺寸分布。2)為了生長大的硅微粒，必須限制反應器中可凝結蒸汽的量。它們的解決方法是讓相同的微粒通過允許清除可凝結物質但又抑制新微粒形成的條件室。
Alams理論不斷致力于描述如何使微粒生長最大化并抑制新微粒的形成。該工作后來由Wu和Flagan繼續，他們關注發現微粒形成受抑制的臨界濃度。根據他們的工作，此發展過程在具體的濃度/溫度關系上是激烈突變的。

反應器概念
這些年來已經提出了各式各樣的設計和選擇，對FBR設計感興趣的讀者可以參考Filtvedt等人的評論文章，更廣泛了解其發展歷史。本節將審視一些要點，旨在把不同的設計與硅CVD反應器中起作用的各種機理聯系起來。

FBR設計
FBR中，反應器容器充填硅微粒，見圖1。流化氣體（如氫或氦）在反應器底部注入使微粒流化。流化微粒是指在各個微粒上的拉力是與微粒重量在同一尺度。在這種狀態下，微粒床的行為與液體類似。當氣流增加時，更進一步形成氣泡，這保持微粒床處于連續運動中。微粒用某些方法加熱到高于分解溫度的溫度，反應物氣體插入床中。分解后，硅淀積在微粒上使它們生長。停留一段時間后，微粒生長到可以萃取的尺寸。然后萃取成品珠粒，插入或在床內部產生新的小籽晶微粒。

早期FBR設計與建立用于催化裂解的反應器是緊密聯系的。早期的課題之一是產生籽晶微粒。籽晶微粒本質上需要如成品一樣純，若應用常規粉粹技術，這也許具有挑戰性。

一般有二個成熟的解決方法。或從產生材料的一部分生產籽晶，或是直接從反應氣體生產籽晶。第一個解決方法是Union Carbride Corporation的S.Iya提出的，他建議采用高速噴射在反應器內產生籽晶微粒。此解法的問題是，這種高速可能產生大氣泡，氣泡將增加硅烷熱分解時達到固態成核位置的平均自由程。這轉而會產生較高的細粒數量，長期高溫停留時間也將增加產生非晶硅混合物的幾率，后者較難捕獲。

Hsu等人提出了另一種設計，建議在一個單獨的反應器中生產細粒，在生長一段后把它們引入FBD。這種解決方案的優點之一是，在FBR中產生的微粒趨向于球形或半球形，用球形籽晶可提高以球形成品結束的幾率。該法的一個挑戰是要以籽晶由低氣孔率晶硅組成的途徑生長它們。

已經了解細粒發生的問題與到固體成核位置的平均自由程、反應氣體的濃度和溫度的綜合情況有關。在FBR內部，增加平均自由程是與增加實際速度因而增加氣泡平均直徑是一樣的。Gautreaux等人確認這一關系，并以二種模式運行他們的FBR：高速細粒發生模式和低速細粒捕獲模式。ASIMI的Lord等人將此解決方案向前推進一步，提出用圓錐形反應器，以便在同一時間有二種模式。

Siemens反應器
Siemens反應器中，反應氣體輸入含有加熱硅棒的鐘罩式反應器內（圖2）。反應氣體用該棒加熱至分解，在棒上淀積一層硅，同時將多余氣體抽出去。為了防止在反應器壁上的不需要淀積，反應器的其余部分是冷卻的。

這種反應器是Siemens在1950年代開發的，許多專利用在各種替代產品和設計布局的工作模式上。最初使用的反應物是TCS，不過，現在也常常使用甲硅烷。

Siemens反應器是最常用的CVD反應器。成品質量高，其代價是能耗高和反應氣體利用率低。

與其它競爭反應器概念比較，由于淀積表面的溫度可精密控制，所以中間物質的產生和棒上的表面生長比較容易控制。

硅的晶體結構、氣孔率和純度證實比在流化床或自由空間反應器中生產的材料更好。

能耗在近幾年已有下降，主要是采用了二個措施：1)增加反應器內硅棒的數量，因而限制了與冷壁直接交換熱輻射的熱淀積表面部分。2)用比原始石英反射率高的內襯層覆蓋反應器的表面，限制熱輻射的吸收。

二個措施證明是有些成效的，不過，基于甲硅烷的Siemens反應器中產生的細粒會在鐘罩罐內側上引起一層非晶硅粉末，這就使反射層的效果受到限制。但是，對基于TCS的反應器來說，中間物質首要是氣體，不會用來產生這種粉末層。

結論
當前多晶硅生產方法不能滿足未來功耗的需求又不損害純度。存在幾種降低Siemens和流化床反應器功耗的方案。

現在基于甲硅烷的FBR的功耗最低。但對所有從事此技術的人來說，維持高而穩定的純度是一個挑戰。FBR中的主要挑戰是二方面，控制淀積表面(即溫度)的品質和珠粒的其他品質。另一挑戰是以合適的途徑控制分解順序，要避免和/或處理不需要的中間物質，使珠粒四周的淀積硅是同質的。
Siemens反應器的主要挑戰是功耗。控制淀積表面和分解順序證明是可能的，目前許多參與者能獲得高而穩定的純度。Siemens反應器的功耗直接與反應器本身和內在的溫度差二者有聯系。它也與反應物產額有關，反應物產額受反應物擴散到淀積表面的限制。反應物的余留部分必須再利用，也導致高能耗。

未來的觀念或是必須減少反應物分子到達淀積表面要穿越的距離，流化床反應器可能是一個解決方案，盡管純度的控制還必須提高。另一方案是通過規模擴大增加總淀積表面。Simens法也許是一個可能的路徑，不過當批次尺寸增加時，對操作有顯而易見的挑戰。

未來的多晶硅生產將仍然是令人感興趣和重要的，為了減少硅基太陽能電池的能量回收時間，工藝步驟的成功是極其重要的。