硅烷流态化法CVD过程及壁面沉积控制的数值模拟

发布时间：2020-06-13 08:02

【摘要】：本文围绕硅烷流态化法CVD(chemical vapor deposition)过程及壁面沉积问题,采用计算流体力学方法,耦合欧拉颗粒流模型与硅烷热解反应模型,预测流化床反应器内气固流动状况与多晶硅沉积的变化趋势,对硅烷热解反应制备多晶硅过程中壁面沉积的控制进行研究。主要内容如下:(1)欧拉-颗粒流模型耦合硅烷热解反应模型,以UDF(user-defined function)形式编译非均相反应速率循环宏,建立了描述反应器内动量、热量、质量同时传递及化学反应的数学模型:采用欧拉-欧拉双流体模型结合颗粒流体力学理论,建立TFM-KTGF模型,以分析流化床中气固两相流动的质量、动量和能量守恒;通过颗粒动力学理论研究颗粒粘度、固相压力和径向分布函数等固体相间的封闭关系;基于有限体积法开展了CFD软件的求解,给出了多晶硅CVD过程的计算框图。(2)基于Hsu实验数据,验证流化床中硅烷热解反应模型和计算的准确性:建立了流化床几何模型,采用网格无关性检验方法确定R2网格划分策略,经综合分析得到模型设置参数;对流化床反应器内气固流体流动进行模拟,当床层表观气速为0.21~0.24m/s时,模拟得到床层最大膨胀高度为0.68~0.76m,将其与经验计算值比较,误差在8.6%~10.6%之间,表明建立的模型能够准确描述床层气固流动状态;将TFM-KTGF模型耦合硅烷热解反应模型,推导了床内多晶硅平均沉积率的计算表达式;改变硅烷进气浓度和初始颗粒粒径,将模拟得到的一系列硅颗粒增长速率值与实验数据对比,误差为14.7%~26.8%,误差在可接受范围内,验证了反应模型与计算的准确性。(3)针对壁面沉积问题,采用上述耦合的反应模型,考察不同操作条件对多晶硅制备过程中壁面沉积的影响:构思了流化床进气非均匀分布器,并建立了几何模型,通过改变气体分布器中心和周边进气的组成、初始表观气速以及改变初始床层高度,考察床内气固流化特性和多晶硅沉积率的变化趋势。结果表明:(1)周边采用氢气进气使得壁面处硅烷浓度降低至42.9%,壁面平均沉积率整体减少20.55μm/h,有效地抑制了壁面沉积的发生;(2)提高周边初始表观气速和氢气量,可影响床内气泡形成与颗粒运动,并会降低近壁处硅烷浓度,壁面平均沉积率的降低比为0.156~0.814,表明提高周边气速也可以有效控制壁面沉积问题;(3)增加中心进气中硅烷含量,使得床内硅烷浓度整体升高,流化床内多晶硅平均沉积率增大,颗粒表面平均沉积率的增长比为1.146~1.943,壁面平均沉积率的增长比为1.043~1.196,前者显著提高,表明增加中心进气中硅烷含量对颗粒表面平均沉积率影响较大;(4)提高初始床层高度,颗粒表面与壁面的平均沉积率均降低,且两者的降低比数值接近。但床层提高,床内的颗粒数增加,反应的总面积增大,故随着初始床层高度的增加,床内多晶硅沉积对颗粒表面的选择性呈增长趋势。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.2

【参考文献】