西门子反应器内硅烷分解过程模拟

摘要

多晶硅是半导体和光伏产业的基础材料，是一种重要的战略材料。各国都在大力发展大规模多晶硅生产技术。其中硅烷法具有低能耗、清洁无污染、分解率高、产物纯度高等优点，是制造多晶硅的一种重要方法，但沉积速率较慢，还不能令人满意。本文通过研究西门子反应器内硅烷分解过程，探讨硅烷法工艺参数的影响规律，以获得低成本、快速沉积多晶硅的生产工艺。
　　 计算流体力学（CFD）已广泛应用于各种工程实际中，尤其适合于研究特殊尺寸、高温、易燃易爆等实验中只能接近而无法达到的理想条件，具有周期短、成本低等优点。通过对硅烷分解过程热力学和动力学分析，本文采用标准K-e湍流模型、DTRM辐射模型、有限反应速率模型，应用计算流体力学软件FLUENT对硅烷的分解过程进行模拟。
　　 模拟结果表明气体流速、棒温、压力对分解过程的各项指标有不同程度的影响。流速的增大可以显著增加硅产量并降低单位能耗，但大量未分解的硅烷从出气口排出，成为流速增大的限制条件；较低的温度可以显著减小能耗，但温度过低会排出大量未彻底反应硅烷，而温度过高则产生大量硅粉；增大压力可以在一定程度上减少硅粉的生成。本文给出六对硅棒西门子分解炉内的较优工艺参数，并分析了该优化工艺下分解炉内流场、热场和浓度场的分布特点。
　　 对硅棒的生长过程的模拟表明：在硅棒直径小于25mm时，关键在于降低出口硅烷质量，因此需要适当增加硅棒温度，减小流速；在硅棒直径大于75mm时关键在于控制硅粉的质量，因此需要适当减小硅棒温度。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1.研究背景和意义

1.2.高纯多晶硅制备技术

1.2.1.三氯氢硅法

1.2.2.硅烷法

1.2.3.流态床法

1.2.4.物理提纯法

1.2.5.多晶硅其它制备技术

1.3.计算流体力学简介

1.4.本文研究思路和主要内容

第二章 硅烷热分解基本过程

2.1.硅烷物理化学性质

2.2.热力学和动力学分析

2.2.1.硅烷分解热力学

2.2.2.硅烷分解动力学

2.2.3.硅烷分解速率的影响因素

2.2.4.硅的形核及生长

2.3.本章小结

第三章 硅烷分解炉的数值模拟

3.1.流体基本控制方程和数学模型

3.1.1.流体基本控制方程

3.1.2.湍流模型

3.1.3.辐射模型

3.1.4.组分传输方程和化学反应模型

3.2.方程求解的数值方法

3.2.1.网格划分

3.2.2.数学模型的离散化

3.3.模型的验证

3.4.本章小结

第四章 硅烷分解炉模拟研究

4.1.硅烷分解炉模型

4.1.1.分解炉物理模型

4.1.2.分解炉简化模型

4.2.分解炉的工艺优化

4.2.1.正交试验方案

4.2.2.正交实验结果及分析

4.3.分解炉工艺条件影响规律

4.3.1.流速的影响规律

4.3.2.温度的影响规律

4.3.3.压力的影响规律

4.4.硅棒生长的影响

4.5.优化后分解炉内传输情况

4.5.1.温场的分布

4.5.2.流场的分布

4.5.3.硅烷浓度场的分布

4.5.4.硅粉浓度分布

4.6.本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文