基于CFD的流态化多晶硅CVD过程研究

摘要

本文基于CFD分析手段，针对流化床反应器内复杂的多晶硅CVD气-固反应过程编写Mfix代码，扩充了硅氢化合物热力学数据库，建立了耦合化学反应、热量、动量、质量传递的数值模型，对流化床内的反应过程和温度、压力、气速、颗粒分布等情况进行了分析，并对无定形硅粉成核机理进行了探索性研究。具体工作如下:
　　1、根据量子化学计算结果，确定了102个硅氢化合物(Si1～Si10)的分子结构式;采用基团因子贡献法确定了各硅氢化合物的标准生成焓、标准摩尔熵以及七个温度(300 K、400 K、500 K、600 K、800 K、1000 K、1500 K)下的比热容;利用Matlab软件编程计算了104种硅氢化合物的热力学物性多项式系数a1～a7、a15，借助化学分子量计算器计算了上述所有物质的分子量;将NIST数据库、商业软件（Fluent、Chemkin、Mfix等）、实验和模拟方面的文献数据与本文计算结果进行了对比，校正了H2、SiH4等Mfix已有2种物性，扩充了SiH2、Si2H6等Mfix缺乏的102种硅氢化合物的热力学数据，建立了硅氢化合物热力学数据库。该数据库可准确计算各物质的比热、熵、焓等热力学物性，为本文数值模拟反应源项的计算和无定形硅粉成核机理的研究打下了基础。
　　2、确定了多晶硅CVD表面化学反应、气相反应共222个反应的动力学参数;通过在控制方程中加入反应速率源项、化学反应热、辐射传热、相间传热系数、颗粒碰撞耗散项等实现了化学反应和质量、动量、热量传递过程的耦合;采用卡迪尔网格划分方法划分网格，提高了计算速度和准确性;采用二阶迎风格式对控制微分方程进行离散，SIMPLE算法求解压力耦合方程，进而完成对流态化多晶硅CVD过程的数值模拟计算。
　　3、采用Caussat和Hsu的实验条件模拟流态化多晶硅CVD过程，多晶硅CVD速率误差分别为0.8％～30％、19％～28％，表明本文建立的数学模型能确切描述流态化多晶硅的CVD过程。综合多晶硅CVD反应速率、抑制无定形硅粉形成两方面因素，选择氧气为流化气体，基于CFD分析了多晶硅CVD速率随硅烷进口浓度、进口操作气速、操作温度、操作压力变化情况，确定硅烷与氢气最佳操作进气比为3/17（即硅烷进口浓度15％），最佳操作气速为最小流化速度的5.5倍，最佳操作温度为963.15 K，最佳操作压力为0.2 MPa。
　　4、对反应器出口处气相质量、速度、温度分布，反应器内轴向、径向气相分布，反应器轴向固含率分布进行了分析，对无定形硅粉成核机理进行了初步探索，结果表明:反应器内以甲硅烷和硅烯的非均相热裂解反应为主，气相反应为辅;气相质量分布与速度分布、温度分布直接相关，轴向速度对气相分布的影响高于径向速度分布;无定形硅粉在反应器稀相区质量分率较大，低温利于抑制无定形硅粉的形成。
　　本文建立的热力学数据库可准确表达各硅氢化合物在不同压力、温度下的比热、熵、焓等热力学物性，为本文计算结果的可靠性奠定了基础;本文建立的综合气固流体力学、动力学且耦合化学反应的数学模型能确切描述流态化多晶硅CVD过程，给出不同工艺条件对反应过程的影响，实时分析流化床内温度、气速、反应速率、硅氢化合物质量等分布情况。本文研究结果可对多晶硅CVD流化床反应器内构件的设计提供指导，对高纯度多晶硅实际生产工艺的设计提供理论支持。

目录

摘要

符号说明

前言

1 绪论

1．1 多晶硅的分类及用途

1．2 多晶硅市场分析

1．2．1 国际多晶硅市场分析

1．2．2 国内多晶硅市场分析

1．2．3 多晶硅市场发展趋势

1．3 多晶硅生产工艺技术分析

1．3．1 多晶硅生产工艺技术综述

1．3．2 多晶硅生产工艺技术发展趋势

1．4 FB-CVD法制多晶硅研究进展

1．4．1 CVD技术原理及应用

1．4．2 FB-CVD法生产多晶硅的原理

1．4．3 多晶硅FB-CVD研究进展

1．5 CFD在流态化CVD领域的应用

1．5．1 CFD简介

1．5．2 Mfix简介

1．5．3 CFD在流态化CVD过程的研究进展

1．5．4 计算模型简介

1．6 偏微分方程求解的数值方法

1．6．1 网格化方法

1．6．2 离散化方法

1．7 课题背景与研究内容

1．7．1 课题背景

1．7．2 课题研究内容

2 硅氢化合物热力学数据库的建立

2．1 无定形硅粉的组成及分子结构

2．1．1 无定形硅粉的组成

2．1．2 硅氢化合物分子结构

2．2 硅氢化合物热力学数据的计算

2．2．1 硅氢化合物基团因子及所占比重

2．2．2 硅氢化合物热力学数据计算值

2．3 硅氢化合物热力学数据在Mfix中的存储

2．3．1 Mfix热力学数据存储格式

2．3．2 热力学数据矩阵系数计算方法

2．3．3 热力学数据矩阵系数计算结果

2．3．4 计算物性的校验

2．4 硅氢化合物热力学数据库的建立

2．5 本章小结

3 流态化多晶硅CVD反应模型和传递模型的耦合

3．1 多晶硅CVD反应机理

3．1．1 表面化学反应机理

3．1．2 气相反应机理

3．2 多晶硅CVD反应的反应动力学

3．2．1 多晶硅CVD速率

3．2．2 气相反应速率

3．3 反应模型与传递模型的耦合

3．3．1 反应模型与质量传递模型的耦合

3．3．2 反应模型与热量传递模型的耦合

3．3．3 反应模型与动量传递模型的耦合

3．4 本章小结

4 流态化多晶硅CVD数学模型的求解与验证

4．1 数学模型的控制方程

4．2 数学模型的求解

4．2．1 网格划分方法

4．2．2 控制方程的离散

4．2．3 离散方程的求解

4．3 Caussat实验数据对比

4．3．1 物理模型

4．3．2 初始及边界条件

4．3．3 模拟与实验条件

4．3．4 结果与讨论

4．4 Hsu实验数据对比

4．4．1 物理模型

4．4．2 初始及边界条件

4．4．3 模拟与实验条件

4．4．4 结果与讨论

4．5 本章小结

5 工艺条件对流态化多晶硅CVD过程的影响

5．1 流化床反应器几何模型

5．2 边界条件

5．3 物性参数

5．4 流态化多晶硅CVD特性的研究

5．4．1 床内硅粉颗粒瞬时体积分数

5．4．2 反应器轴向固分率分布情况

5．4．2 CVD速率随反应时间的变化

5．4．3 CvD反应速率随反应器轴向高度的变化

5．5 工艺条件对流态化多晶硅CVD过程的影响

5．5．1 进口硅烷浓度对多晶硅CVD过程的影响

5．5．2 进口气速对多晶硅CVD过程的影响

5．5．3 温度对多晶硅CVD过程的影响

5．5．4 压力对多晶硅CVD过程的影响

5．6 本章小结

6 气相分布

6．1 反应器内气相质量分数分布

6．2 反应器出口处气相质量分布情况

6．3 反应器出口处气相速度分布和温度分布情况

6．4 反应器轴向气相质量分布情况

6．5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

声明