西门子CVD多晶硅还原炉内传递与反应过程数值模拟研究

发布时间：2017-03-30 15:22

  本文关键词：西门子CVD多晶硅还原炉内传递与反应过程数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：西门子CVD法制备多晶硅是当今最为主要的高纯多晶硅制备工艺。其主要设备多晶硅还原炉内涉及气体的湍流流动,对流和辐射换热,含有大量中间产物的气相分解反应,多晶硅在高温表面的沉积和晶体生长等复杂的物理化学过程。本文选用合适的化学反应机理、物理模型与数值方法,对西门子多晶硅还原炉内的传质,传热和化学反应进行了模拟研究和讨论。三氯氢硅通过氢气还原制备多晶硅一次转化率很低,合适的工艺条件对提高多晶硅产率十分重要。本文采用最小吉布斯自由能理论,估算不同温度、压力和进口气体配比条件下,反应器内的平衡组分和三氯氢硅转化率。当进口氢气和三氯氢硅摩尔配比为2.8：1、反应温度在1400K、操作压力为0.3Mpa时,可以获得较高的三氯氢硅转换率,同时得到较低的副产物浓度。西门子多晶硅还原炉内涉及复杂的气相／表面化学反应,本文对文献报道SiHCl3-H2体系下硅的化学气相沉积过程相关实验进行了归纳和比较。采用边界层反应模型和Chemkin模拟软件,耦合不同气相与表面化学反应机理,选取不同文献报道实验的反应器模型,对不同条件下硅的化学气相沉积过程进行了模拟计算。通过与文献报道的三组实验数据对比,验证现有反应机理的模拟精度,提出一套修正化学反应机理(ho-modified),可以准确地预测工业级西门子多晶硅还原炉条件下多晶硅的沉积速率。Chemkin软件只能用以模拟计算简单反应器模型。采用可模拟复杂湍流化学反应过程的Ansys Fluent软件,模拟计简单反应器中硅的化学气相沉积速率,与Chemkin计算结果对比,验证Ansys Fluent模拟方法的可靠性。通过小型西门子多晶硅反应器模拟验证,确定工业级西门子多晶硅反应器的模拟计算的子模型为：realizable k-s双方程模型求解还原炉内气体的湍流流场；涡耗散概念模型模拟耦合湍流和化学反应；离散坐标辐射模型模拟还原炉内硅棒与炉壁、硅棒与炉内反应气体、硅棒与硅棒之间的辐射传热过程；详细的气相/表面反应机理(ho-modified)能够准确地预测多晶硅沉积速率。应用计算流体力学方法耦合详细气相表面化学反应机理,对硅棒直径分别为50mm,80 mm和100mm三种工况下的工业级西门子多晶硅还原炉内多晶硅的化学气相沉积过程进行模拟计算。对模拟结果进行敏感性分析：在固定单根硅棒热通量的条件下,硅棒直径为50mm时,硅棒表面温度较高,气相平均温度较低,多晶硅沉积速率受气相传质速率控制；硅棒直径增加到80 mm时,沉积表面温度降低到1361K,多晶硅的沉积速率受反应速率和气相传质速率共同控制；硅棒直径为100 mm时,硅棒表面温度较低,而气相平均温度较高,多晶硅的沉积速率受表面化学反应速率控制。多表面辐射传热模型可以计算封闭区域内漫灰表面之间的辐射换热,能够较为准确地预测多晶硅还原炉内的辐射热损失。应用多表面辐射传热模型,本文预测了不同硅棒布置和硅棒数目条件下,还原炉的单根硅棒平均辐射热损失。当硅棒数目增加时,还原炉内单根硅棒的辐射热损失会逐渐降低,但是,随着硅棒数目不断增加,这种降低的趋势逐渐放缓。综合考虑增大还原炉尺寸带来的设备制造安装成本提升,增加硅棒数目带来的能耗成本节约将越来越有限。
【关键词】：多晶硅 西门子法 气相传质与表面反应 传热 化学气相沉积 计算流体力学
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304.055
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 前言15-19
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 西门子法多晶硅生产工艺的关键技术问题16-17
• 1.3 本文研究内容和创新点17-19
• 1.3.1 研究内容17-18
• 1.3.2 主要创新点18-19
• 第2章 文献综述19-36
• 2.1 多晶硅生产工艺19-24
• 2.1.1 改良西门子法19-21
• 2.1.2 硅烷流化床法21-22
• 2.1.3 SiCl_4法22
• 2.1.4 冶金法22-23
• 2.1.5 四种方法的优缺点23-24
• 2.2 西门子多晶硅CVD还原炉内传递过程与反应模型24-27
• 2.3 西门子CVD还原炉生产质量与瓶颈问题27-28
• 2.4 计算传递理论与西门子多晶硅还原炉数值模拟研究进展28-34
• 2.4.1 边界层对硅沉积影响的数值模拟研究29-33
• 2.4.2 西门子CVD还原炉内的辐射热传递数值模拟研究33-34
• 2.5 本文研究思路和技术路线34-36
• 第3章 西门子多晶硅还原炉内CVD过程热力学计算与动力学分析36-49
• 3.1 化学气相沉积的物理化学过程36-37
• 3.2 TCS-H_2体系热力学计算与分析37-44
• 3.3 TCS-H_2体系反应动力学44-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 多晶硅化学气相沉积过程气相与表面反应模型及其验证49-69
• 4.1 边界层控制方程49-51
• 4.2 CHEMKIN模拟方法和求解步骤51-52
• 4.3 气相反应机理52-55
• 4.4 表面反应机理55-56
• 4.5 文献报道硅化学气相沉积速率相关实验56-60
• 4.5.1 实验描述56-60
• 4.5.2 文献实验结果归纳与分析60
• 4.6 CHEMKIN模拟结果分析与比较60-67
• 4.6.1 模拟沉积速率与Habuka实验沉积速率比较60-62
• 4.6.2 模拟沉积速率与Angermeier实验沉积速率比较62-64
• 4.6.3 HCl侵蚀速率与文献报道实验值的比较64-67
• 4.7 本章小结67-69
• 第5章 小型多晶硅CVD反应器模拟研究69-85
• 5.1 多组分反应流体控制守恒方程69-70
• 5.2 湍流封闭模型及k-ε双方程模型的近壁区处理70-73
• 5.3 湍流反应相互作用模型73
• 5.4 辐射换热模型73-74
• 5.5 数值方法和求解步骤74-76
• 5.6 小型CVD反应器的模拟与验证76-83
• 5.6.1 single-wafer反应器76-79
• 5.6.2 小型西门子CVD反应器79-83
• 5.7 本章小结83-85
• 第6章 工业级西门子多晶硅还原炉流动与反应模拟85-96
• 6.1 模型描述85-87
• 6.2 模拟结果87-91
• 6.3 分析与讨论91-95
• 6.4 本章小结95-96
• 第7章 工业级西门子多晶硅还原炉辐射传热分析96-112
• 7.1 辐射模型96-99
• 7.2 模型验证99-100
• 7.3 硅棒布置对辐射能耗的影响100-102
• 7.4 硅棒数量对辐射能耗的影响102-111
• 7.5 本章小结111-112
• 第8章 全文总结与展望112-114
• 8.1 总结112-113
• 8.2 展望113-114
• 参考文献114-123
• 致谢123-124
• 博士在读期间发表论文124

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