【摘要】：本文圍繞硅烷流態(tài)化法CVD(chemical vapor deposition)過(guò)程及壁面沉積問(wèn)題,采用計(jì)算流體力學(xué)方法,耦合歐拉顆粒流模型與硅烷熱解反應(yīng)模型,預(yù)測(cè)流化床反應(yīng)器內(nèi)氣固流動(dòng)狀況與多晶硅沉積的變化趨勢(shì),對(duì)硅烷熱解反應(yīng)制備多晶硅過(guò)程中壁面沉積的控制進(jìn)行研究。主要內(nèi)容如下:(1)歐拉-顆粒流模型耦合硅烷熱解反應(yīng)模型,以UDF(user-defined function)形式編譯非均相反應(yīng)速率循環(huán)宏,建立了描述反應(yīng)器內(nèi)動(dòng)量、熱量、質(zhì)量同時(shí)傳遞及化學(xué)反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型:采用歐拉-歐拉雙流體模型結(jié)合顆粒流體力學(xué)理論,建立TFM-KTGF模型,以分析流化床中氣固兩相流動(dòng)的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒;通過(guò)顆粒動(dòng)力學(xué)理論研究顆粒粘度、固相壓力和徑向分布函數(shù)等固體相間的封閉關(guān)系;基于有限體積法開(kāi)展了CFD軟件的求解,給出了多晶硅CVD過(guò)程的計(jì)算框圖。(2)基于Hsu實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證流化床中硅烷熱解反應(yīng)模型和計(jì)算的準(zhǔn)確性:建立了流化床幾何模型,采用網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)方法確定R2網(wǎng)格劃分策略,經(jīng)綜合分析得到模型設(shè)置參數(shù);對(duì)流化床反應(yīng)器內(nèi)氣固流體流動(dòng)進(jìn)行模擬,當(dāng)床層表觀氣速為0.21~0.24m/s時(shí),模擬得到床層最大膨脹高度為0.68~0.76m,將其與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值比較,誤差在8.6%~10.6%之間,表明建立的模型能夠準(zhǔn)確描述床層氣固流動(dòng)狀態(tài);將TFM-KTGF模型耦合硅烷熱解反應(yīng)模型,推導(dǎo)了床內(nèi)多晶硅平均沉積率的計(jì)算表達(dá)式;改變硅烷進(jìn)氣濃度和初始顆粒粒徑,將模擬得到的一系列硅顆粒增長(zhǎng)速率值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,誤差為14.7%~26.8%,誤差在可接受范圍內(nèi),驗(yàn)證了反應(yīng)模型與計(jì)算的準(zhǔn)確性。(3)針對(duì)壁面沉積問(wèn)題,采用上述耦合的反應(yīng)模型,考察不同操作條件對(duì)多晶硅制備過(guò)程中壁面沉積的影響:構(gòu)思了流化床進(jìn)氣非均勻分布器,并建立了幾何模型,通過(guò)改變氣體分布器中心和周邊進(jìn)氣的組成、初始表觀氣速以及改變初始床層高度,考察床內(nèi)氣固流化特性和多晶硅沉積率的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明:(1)周邊采用氫氣進(jìn)氣使得壁面處硅烷濃度降低至42.9%,壁面平均沉積率整體減少20.55μm/h,有效地抑制了壁面沉積的發(fā)生;(2)提高周邊初始表觀氣速和氫氣量,可影響床內(nèi)氣泡形成與顆粒運(yùn)動(dòng),并會(huì)降低近壁處硅烷濃度,壁面平均沉積率的降低比為0.156~0.814,表明提高周邊氣速也可以有效控制壁面沉積問(wèn)題;(3)增加中心進(jìn)氣中硅烷含量,使得床內(nèi)硅烷濃度整體升高,流化床內(nèi)多晶硅平均沉積率增大,顆粒表面平均沉積率的增長(zhǎng)比為1.146~1.943,壁面平均沉積率的增長(zhǎng)比為1.043~1.196,前者顯著提高,表明增加中心進(jìn)氣中硅烷含量對(duì)顆粒表面平均沉積率影響較大;(4)提高初始床層高度,顆粒表面與壁面的平均沉積率均降低,且兩者的降低比數(shù)值接近。但床層提高,床內(nèi)的顆粒數(shù)增加,反應(yīng)的總面積增大,故隨著初始床層高度的增加,床內(nèi)多晶硅沉積對(duì)顆粒表面的選擇性呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ127.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2710882