传统硅烷分解炉内分解过程的模拟

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1、浙江理工大学学报，第26卷，第6期，2009年11月JournalofZhejiangSci—TechUniversityVoI．26，No．6，Nov．2009文章编号：1673—3851(2009)06—0901—05传统硅烷分解炉内分解过程的模拟姚晓晖。罗列。俞晓晶，朱成良，姚奎鸿(浙江理工大学材料工程中心，杭州310018)摘要：基于硅烷热分解的总体反应模型，利用Fluent软件模拟了钟罩式硅烷分解炉内同时发生的传热、传质和热化学反应过程。模拟结果定量地表述了传统硅烷分解炉内发生的各个过程，借此探讨了分解炉内的气压、硅棒温度和硅烷

2、流量等工艺条件对硅烷热分解沉积硅转化率及能耗等技术指标的影响。指出硅棒温度为700~800℃，炉内压力升高至0．3MPa时，有利于提高硅烷分解率，抑制硅粉的产生和降低能耗。关键词：硅烷；热分解；数值模拟中图分类号：TN304．05文献标识码：A0前言硅烷法制造多晶硅具有低能耗、清洁、产品纯度高等优点，是一种有前途的方法l1J。但硅烷分解沉积多晶硅是传热、传质和化学反应同时发生的复杂过程。硅烷在高温下会发生均相也会发生异相分解反应[2]，均相分解会干扰多晶硅沉积，限制沉积速率，降低结晶质量[3]，成为该法扩大规模、实现节能必需解决的关键问题

3、之一。硅烷法制备多晶硅过程的模拟已有多篇文献报道l4]，然而除了1990年KenjiHashimotoE5]的模拟是基于单硅棒分解炉外，其余如Lai[4]、Whitel6]、GuentherE、NReugeE。等人的模拟均基于流化床反应器。而且，目前尚未见文献报道有针对传统分解炉的模拟计算。目前生产实际中以硅棒为沉积基底的分解炉仍占主要地位，所以，对传统分解炉进行模拟，并定量描述分解炉主要工艺指标(压力、温度和流量)对硅烷转化率、单位能耗等技术指标的影响，对节约能耗，降低成本意义重大。本文采用计算流体力学(CFD)研究硅烷分解炉内气体传热

4、、传质和反应过程。依据硅烷分解过程热力学、动力学基本理论，对照实际经验，利用标准e湍流模型、DO辐射模型、有限反应速率模型[9]，通过在流动和传热领域运用相当广泛的计算流体力学软件FluentElo-123对炉中硅烷分解过程进行模拟，从而定量地表述传统分解炉内发生的复杂过程，借以得出各项工艺参数对硅烷分解沉积特性的影响。1问题描述、模型及计算1．1问题描述传统分解炉可简化为图1所示模型。其中图1(a)为炉内传热情况示意图，硅棒由硅芯通电发热，炉壁由水冷却，气体由炉底入口通人，炉内气体高低温差很大，产生强烈自然对流。硅棒表面发出的热量一部分

5、通过气体的对流传到炉壁，另一部分通过辐射传到水冷炉壁。此外，出口排出的尾气也带走一定的热量。根据气体分子运动论，气体的传热和传质实质上是气体分子碰撞导致的能量和物质的转移和传输过程，形成了动态的不均匀的温度和浓度分布。氢气中的硅烷分子就处在特定的温度和浓度分布状态下。收稿日期：2O09一O4—21作者简介：姚晓晖(1985一)，男，湖北荆门人，硕士研究生，主要从事半导体材料制备研究。902浙江理工大学学报2009年第26卷出口冷却壁冷却壁带走带走入口fa1图1分解炉内的传热和传质情况图1(b)为分解炉内的传质以及化学反应状况。硅烷由下部入

6、口进入，随即迅速与炉中由硅烷分解产生的氢气混合。其中，一部分硅烷由于湍流和扩散的作用，有机会到达硅棒表面，在硅棒表面发生异相反应，沉积硅；另一部分未与硅棒表面接触，如果它的浓度和所处的温度高到一定程度，则发生均相反应，形成粉末；其余未分解部分最后随尾气排出。1．2计算模型依据以上描述，建立起硅烷热分解反应的控制方程的稳态形式H]：连续性方程：pV·()一0(1)动量方程：ID盖'，)+pV·('，)===·(r)+pg(2)能量方程：10(E)+·(1，(10E+))===V。(k~ssVT一l，+("Ueff·'，))(3)组分方程：，

7、l0盖)+pV·(vY)一一·J+R(4)其中，P为密度，P为压力，_l，为速度，E为能量，t，为扩散通量，h为焓，R为源相，y为质量分数，k为热量流量。另外，对于分解炉内的气相流动采用一e模型，辐射情况采用DO模型，化学反应模型采用有限速率模型。1．3化学反应模型硅烷热分解反应的总体模型早在1912年由VonWartenburgE确定：SiH4===Si+2H2(5)本文中所涉及到的硅烷热分解模型包含总体均相反应和总体异相反应，最早的均相反应和异相反应的整体模型是由Hogness['M和Iya[’研究得出：r一是。H(6)t—khetC

8、SH4(7)其中：忌b。m一2×10。exp(一216209／RT)(8)kh一2．79×10exp(一162261／RT)(9)上式中n一，志分别表示均相反应速率和均相反应常数，，足分别表示