基于CFD的流態(tài)化多晶硅CVD過(guò)程研究.pdf

1、本文基于CFD分析手段，針對(duì)流化床反應(yīng)器內(nèi)復(fù)雜的多晶硅CVD氣-固反應(yīng)過(guò)程編寫(xiě)Mfix代碼，擴(kuò)充了硅氫化合物熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立了耦合化學(xué)反應(yīng)、熱量、動(dòng)量、質(zhì)量傳遞的數(shù)值模型，對(duì)流化床內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程和溫度、壓力、氣速、顆粒分布等情況進(jìn)行了分析，并對(duì)無(wú)定形硅粉成核機(jī)理進(jìn)行了探索性研究。具體工作如下:
　　1、根據(jù)量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果，確定了102個(gè)硅氫化合物(Si1～Si10)的分子結(jié)構(gòu)式;采用基團(tuán)因子貢獻(xiàn)法確定了各硅氫化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成焓、

2、標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵以及七個(gè)溫度(300 K、400 K、500 K、600 K、800 K、1000 K、1500 K)下的比熱容;利用Matlab軟件編程計(jì)算了104種硅氫化合物的熱力學(xué)物性多項(xiàng)式系數(shù)a1～a7、a15，借助化學(xué)分子量計(jì)算器計(jì)算了上述所有物質(zhì)的分子量;將NIST數(shù)據(jù)庫(kù)、商業(yè)軟件（Fluent、Chemkin、Mfix等）、實(shí)驗(yàn)和模擬方面的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)與本文計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，校正了H2、SiH4等Mfix已有2種物性，擴(kuò)充了SiH

3、2、Si2H6等Mfix缺乏的102種硅氫化合物的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，建立了硅氫化合物熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)可準(zhǔn)確計(jì)算各物質(zhì)的比熱、熵、焓等熱力學(xué)物性，為本文數(shù)值模擬反應(yīng)源項(xiàng)的計(jì)算和無(wú)定形硅粉成核機(jī)理的研究打下了基礎(chǔ)。
　　2、確定了多晶硅CVD表面化學(xué)反應(yīng)、氣相反應(yīng)共222個(gè)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù);通過(guò)在控制方程中加入反應(yīng)速率源項(xiàng)、化學(xué)反應(yīng)熱、輻射傳熱、相間傳熱系數(shù)、顆粒碰撞耗散項(xiàng)等實(shí)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)和質(zhì)量、動(dòng)量、熱量傳遞過(guò)程的耦合;采用卡迪爾網(wǎng)

4、格劃分方法劃分網(wǎng)格，提高了計(jì)算速度和準(zhǔn)確性;采用二階迎風(fēng)格式對(duì)控制微分方程進(jìn)行離散，SIMPLE算法求解壓力耦合方程，進(jìn)而完成對(duì)流態(tài)化多晶硅CVD過(guò)程的數(shù)值模擬計(jì)算。
　　3、采用Caussat和Hsu的實(shí)驗(yàn)條件模擬流態(tài)化多晶硅CVD過(guò)程，多晶硅CVD速率誤差分別為0.8％～30％、19％～28％，表明本文建立的數(shù)學(xué)模型能確切描述流態(tài)化多晶硅的CVD過(guò)程。綜合多晶硅CVD反應(yīng)速率、抑制無(wú)定形硅粉形成兩方面因素，選擇氧氣為流化氣體，

5、基于CFD分析了多晶硅CVD速率隨硅烷進(jìn)口濃度、進(jìn)口操作氣速、操作溫度、操作壓力變化情況，確定硅烷與氫氣最佳操作進(jìn)氣比為3/17（即硅烷進(jìn)口濃度15％），最佳操作氣速為最小流化速度的5.5倍，最佳操作溫度為963.15 K，最佳操作壓力為0.2 MPa。
　　4、對(duì)反應(yīng)器出口處氣相質(zhì)量、速度、溫度分布，反應(yīng)器內(nèi)軸向、徑向氣相分布，反應(yīng)器軸向固含率分布進(jìn)行了分析，對(duì)無(wú)定形硅粉成核機(jī)理進(jìn)行了初步探索，結(jié)果表明:反應(yīng)器內(nèi)以甲硅烷和硅烯的

6、非均相熱裂解反應(yīng)為主，氣相反應(yīng)為輔;氣相質(zhì)量分布與速度分布、溫度分布直接相關(guān)，軸向速度對(duì)氣相分布的影響高于徑向速度分布;無(wú)定形硅粉在反應(yīng)器稀相區(qū)質(zhì)量分率較大，低溫利于抑制無(wú)定形硅粉的形成。
　　本文建立的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)可準(zhǔn)確表達(dá)各硅氫化合物在不同壓力、溫度下的比熱、熵、焓等熱力學(xué)物性，為本文計(jì)算結(jié)果的可靠性奠定了基礎(chǔ);本文建立的綜合氣固流體力學(xué)、動(dòng)力學(xué)且耦合化學(xué)反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型能確切描述流態(tài)化多晶硅CVD過(guò)程，給出不同工藝條件對(duì)反應(yīng)過(guò)