發(fā)布時間：2017-03-30 15:22

  本文關鍵詞：西門子CVD多晶硅還原爐內(nèi)傳遞與反應過程數(shù)值模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：西門子CVD法制備多晶硅是當今最為主要的高純多晶硅制備工藝。其主要設備多晶硅還原爐內(nèi)涉及氣體的湍流流動,對流和輻射換熱,含有大量中間產(chǎn)物的氣相分解反應,多晶硅在高溫表面的沉積和晶體生長等復雜的物理化學過程。本文選用合適的化學反應機理、物理模型與數(shù)值方法,對西門子多晶硅還原爐內(nèi)的傳質(zhì),傳熱和化學反應進行了模擬研究和討論。三氯氫硅通過氫氣還原制備多晶硅一次轉(zhuǎn)化率很低,合適的工藝條件對提高多晶硅產(chǎn)率十分重要。本文采用最小吉布斯自由能理論,估算不同溫度、壓力和進口氣體配比條件下,反應器內(nèi)的平衡組分和三氯氫硅轉(zhuǎn)化率。當進口氫氣和三氯氫硅摩爾配比為2.8：1、反應溫度在1400K、操作壓力為0.3Mpa時,可以獲得較高的三氯氫硅轉(zhuǎn)換率,同時得到較低的副產(chǎn)物濃度。西門子多晶硅還原爐內(nèi)涉及復雜的氣相／表面化學反應,本文對文獻報道SiHCl3-H2體系下硅的化學氣相沉積過程相關實驗進行了歸納和比較。采用邊界層反應模型和Chemkin模擬軟件,耦合不同氣相與表面化學反應機理,選取不同文獻報道實驗的反應器模型,對不同條件下硅的化學氣相沉積過程進行了模擬計算。通過與文獻報道的三組實驗數(shù)據(jù)對比,驗證現(xiàn)有反應機理的模擬精度,提出一套修正化學反應機理(ho-modified),可以準確地預測工業(yè)級西門子多晶硅還原爐條件下多晶硅的沉積速率。Chemkin軟件只能用以模擬計算簡單反應器模型。采用可模擬復雜湍流化學反應過程的Ansys Fluent軟件,模擬計簡單反應器中硅的化學氣相沉積速率,與Chemkin計算結(jié)果對比,驗證Ansys Fluent模擬方法的可靠性。通過小型西門子多晶硅反應器模擬驗證,確定工業(yè)級西門子多晶硅反應器的模擬計算的子模型為：realizable k-s雙方程模型求解還原爐內(nèi)氣體的湍流流場；渦耗散概念模型模擬耦合湍流和化學反應；離散坐標輻射模型模擬還原爐內(nèi)硅棒與爐壁、硅棒與爐內(nèi)反應氣體、硅棒與硅棒之間的輻射傳熱過程；詳細的氣相/表面反應機理(ho-modified)能夠準確地預測多晶硅沉積速率。應用計算流體力學方法耦合詳細氣相表面化學反應機理,對硅棒直徑分別為50mm,80 mm和100mm三種工況下的工業(yè)級西門子多晶硅還原爐內(nèi)多晶硅的化學氣相沉積過程進行模擬計算。對模擬結(jié)果進行敏感性分析：在固定單根硅棒熱通量的條件下,硅棒直徑為50mm時,硅棒表面溫度較高,氣相平均溫度較低,多晶硅沉積速率受氣相傳質(zhì)速率控制；硅棒直徑增加到80 mm時,沉積表面溫度降低到1361K,多晶硅的沉積速率受反應速率和氣相傳質(zhì)速率共同控制；硅棒直徑為100 mm時,硅棒表面溫度較低,而氣相平均溫度較高,多晶硅的沉積速率受表面化學反應速率控制。多表面輻射傳熱模型可以計算封閉區(qū)域內(nèi)漫灰表面之間的輻射換熱,能夠較為準確地預測多晶硅還原爐內(nèi)的輻射熱損失。應用多表面輻射傳熱模型,本文預測了不同硅棒布置和硅棒數(shù)目條件下,還原爐的單根硅棒平均輻射熱損失。當硅棒數(shù)目增加時,還原爐內(nèi)單根硅棒的輻射熱損失會逐漸降低,但是,隨著硅棒數(shù)目不斷增加,這種降低的趨勢逐漸放緩。綜合考慮增大還原爐尺寸帶來的設備制造安裝成本提升,增加硅棒數(shù)目帶來的能耗成本節(jié)約將越來越有限。
【關鍵詞】：多晶硅 西門子法 氣相傳質(zhì)與表面反應 傳熱 化學氣相沉積 計算流體力學
【學位授予單位】：華東理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN304.055
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 前言15-19
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝的關鍵技術(shù)問題16-17
• 1.3 本文研究內(nèi)容和創(chuàng)新點17-19
• 1.3.1 研究內(nèi)容17-18
• 1.3.2 主要創(chuàng)新點18-19
• 第2章 文獻綜述19-36
• 2.1 多晶硅生產(chǎn)工藝19-24
• 2.1.1 改良西門子法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 四種方法的優(yōu)缺點23-24
• 2.2 西門子多晶硅CVD還原爐內(nèi)傳遞過程與反應模型24-27
• 2.3 西門子CVD還原爐生產(chǎn)質(zhì)量與瓶頸問題27-28
• 2.4 計算傳遞理論與西門子多晶硅還原爐數(shù)值模擬研究進展28-34
• 2.4.1 邊界層對硅沉積影響的數(shù)值模擬研究29-33
• 2.4.2 西門子CVD還原爐內(nèi)的輻射熱傳遞數(shù)值模擬研究33-34
• 2.5 本文研究思路和技術(shù)路線34-36
• 第3章 西門子多晶硅還原爐內(nèi)CVD過程熱力學計算與動力學分析36-49
• 3.1 化學氣相沉積的物理化學過程36-37
• 3.2 TCS-H_2體系熱力學計算與分析37-44
• 3.3 TCS-H_2體系反應動力學44-48
• 3.4 本章小結(jié)48-49
• 第4章 多晶硅化學氣相沉積過程氣相與表面反應模型及其驗證49-69
• 4.1 邊界層控制方程49-51
• 4.2 CHEMKIN模擬方法和求解步驟51-52
• 4.3 氣相反應機理52-55
• 4.4 表面反應機理55-56
• 4.5 文獻報道硅化學氣相沉積速率相關實驗56-60
• 4.5.1 實驗描述56-60
• 4.5.2 文獻實驗結(jié)果歸納與分析60
• 4.6 CHEMKIN模擬結(jié)果分析與比較60-67
• 4.6.1 模擬沉積速率與Habuka實驗沉積速率比較60-62
• 4.6.2 模擬沉積速率與Angermeier實驗沉積速率比較62-64
• 4.6.3 HCl侵蝕速率與文獻報道實驗值的比較64-67
• 4.7 本章小結(jié)67-69
• 第5章 小型多晶硅CVD反應器模擬研究69-85
• 5.1 多組分反應流體控制守恒方程69-70
• 5.2 湍流封閉模型及k-ε雙方程模型的近壁區(qū)處理70-73
• 5.3 湍流反應相互作用模型73
• 5.4 輻射換熱模型73-74
• 5.5 數(shù)值方法和求解步驟74-76
• 5.6 小型CVD反應器的模擬與驗證76-83
• 5.6.1 single-wafer反應器76-79
• 5.6.2 小型西門子CVD反應器79-83
• 5.7 本章小結(jié)83-85
• 第6章 工業(yè)級西門子多晶硅還原爐流動與反應模擬85-96
• 6.1 模型描述85-87
• 6.2 模擬結(jié)果87-91
• 6.3 分析與討論91-95
• 6.4 本章小結(jié)95-96
• 第7章 工業(yè)級西門子多晶硅還原爐輻射傳熱分析96-112
• 7.1 輻射模型96-99
• 7.2 模型驗證99-100
• 7.3 硅棒布置對輻射能耗的影響100-102
• 7.4 硅棒數(shù)量對輻射能耗的影響102-111
• 7.5 本章小結(jié)111-112
• 第8章 全文總結(jié)與展望112-114
• 8.1 總結(jié)112-113
• 8.2 展望113-114
• 參考文獻114-123
• 致謝123-124
• 博士在讀期間發(fā)表論文124

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