多场耦合下西门子还原炉内传热和多晶硅化学气相沉积的研究

The modified Siemens process is the main technique of polysilicon production. However, the present problem is how to decrease the energy consumption and increase the polysilicon deposition rate and efficiency. Firstly, the heat transport model for Siemens CVD reduction furnace will be developed based on the flow profile in the Siemens reduction furnace obtained by application of fluidization dynamic model in the proposal. The model can be verified by comparing the calculated results with experimental ones. The developed model will be employed to calculate time-varying law of the temperature profile and flow profile within the Siemens reduction furnace. Furthermore, the influence factor and law of energy consumption can also be obtained by application the developed model. Then, the chemical reaction kinetic equation can be obtained by the time-vary law of the content of exhaust gas. Finally, the polysilicon chemical vapor deposition (CVD) transport-kinetic model will be developed under the multi-physics field. The dynamic mechanism of polysilicon chemical vapor deposition can be investigated when the rods grow by application by the model. The influence factor and law of polysilicon deposition rate and efficiency can also be studied. By the investigation above, the coupling action mechanism of Multi-physics field in chemical vapor deposition of Polysilicon process can be revealed. By the study of the present proposal, the Interdisciplinary theoretical level can be improved meanwhile the results be used to decrease the energy consumption of polysilicon in the Siemens process and modified the Siemens reduction furnace. Furthermore, the results obtained can also be used to provide the theory for sustainable development of the polysilicon industry in Yunan province.

改良西门子法是多晶硅生产的主要工艺，但如何降低能耗，提高多晶硅沉积速率和效率是当前遇到的难题，多物理场耦合作用下的传递现象和动力学研究是解决该难题的重要理论基础。首先，本项目拟在全面获悉西门子CVD还原炉流场信息的基础上，建立传热模型，应用工业数据论证模型的有效性，研究硅棒生长过程中流场、温度场时变规律，并研究能耗的影响因素和规律。然后通过测定反应尾气各组分含量随时间的变化规律，获得化学反应动力学方程。最后建立多物理场耦合作用下的多晶硅化学气相沉积传递-动力学模型，研究硅棒动态增长过程中，多晶硅化学气相沉积的动力学机理，研究多晶硅沉积速率和效率的影响因素及规律，揭示多物理场对多晶硅化学气相沉积的耦合作用机制。通过本项目研究在提升多学科交叉理论水平的同时，对降低改良西门子法制备多晶硅工业的能耗、优化西门子还原炉结构及操作条件具有重要指导意义，并为云南省多晶硅产业可持续发展提供可靠的理论指导。

改良西门子法是多晶硅生产的主要工艺，但如何降低能耗，提高多晶硅沉积速率和效率是当前遇到的难题。本项目主要开展了以下研究工作：建立了西门子反应器中传热模型，分析了影响不同环上硅棒表面热损失的主要因素；通过化学反应动力学试验，获得了化学反应动力学机理和方程；建立了西门子反应器多晶硅沉积过程的传递-动力学模型，分析了操作条件对多晶硅沉积速率的影响规律。结果表明：模型预测结果与试验结果相比，其相对误差在1%以内，说明所建立的传热模型有效。增大进气温度或是增大进气组分TCS摩尔分数，都能有效降低硅棒表面单位面积对流热损失；增大硅棒表面温度、进气速度或操作压强，在一定程度上都会明显增大硅棒表面单位面积对流热损失，并获得了大规模西门子反应器中各环硅棒表面单位面积对流热损失的变化趋势。揭示了硅棒圆周排布规律，增大硅棒最终沉积半径、降低反应器内壁发射率对降低硅棒表面辐射热损失具有明显的效果；增大反应器中硅棒数目同时降低外环硅棒数比例，对降低硅棒表面单位面积平均辐射热损失也具有明显效果。建立了多场耦合作用下的多晶硅化学气相沉积传递-动力学模型，随着硅棒表面温度的升高，硅沉积速率明显增大；随着进气速度的增大，硅沉积速率先明显增大，然后开始变得平缓。随着TCS组分摩尔分数的升高，硅沉积速率逐渐增大，然后开始变得平缓。反应器内压强升高，硅沉积速率明显增大。.通过本项目的研究，获得了降低改良西门子法能耗的方法、多物理场对多晶硅沉积速率的影响规律以及硅棒表面沉积形貌控制的方法。研究成果在国内外期刊发表学术论文13篇，其中SCI检索9篇，EI检索2篇，申请国家发明专利2件，授权实用新型发明专利1件；参加国际学术会议参加国际学术会议7人次、国内学术会议12人次；团队负责人获得云南省首批“万人计划”青年拔尖人才，2019年度晋升教授职称；团队主要成员晋升教授职称1人次，团队人才得到了明显提升；培养博士研究生2名，培养硕士研究生2名。

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