二氧化硅CVD过程中的热现象研究

论文摘要

化学气相沉积技术（CVD）是一种常见工艺,是通过气体间的化学反应制备新材料的过程,以满足某些新的性能。CVD技术也是石英玻璃生产、试验过程中所采用的重要方法之一。石英玻璃广泛应用于各行业,并且有着较为成熟的生产经验,但关于石英玻璃生产过程细节的描述及其三维数值模拟的资料较少。为了更好地指导石英玻璃的生产工艺,提高石英玻璃的质量、性能,减少原料的浪费,本文针对石英玻璃的生产过程,以立式CVD沉积炉为研究对象,对二氧化硅气相沉积过程进行了数值模拟。文中对石英玻璃坨体与沉积室内的流体区同时建模,建立了流-固耦合模型;考虑了重力加速度对流场的影响;将参与反应物质的物性处理为温度的非线性函数;采用商业软件中的用户自定义函数（UDF）将水蒸气的吸收系数编辑为温度和谱带的函数。数值模拟得出了温度场、压力场、速度场及相关组分的质量分数场等结果。在认为温度是影响石英玻璃性能的主要因素的前提下,基于数值模拟结果,针对模型参数、气量参数进行了定量计算,讨论了其对沉积炉及石英玻璃坨体内部温度场的影响。将数值模拟结果作为边界条件,采用编程与商业软件两种方法对石英玻璃内部的导热-辐射耦合换热进行了计算,并进行了对比。分析计算结果,有以下结论:沉积室内的温度较高,必须考虑辐射换热的影响,需要对参与性介质的辐射特性作较准确的预测;沉积面上的温度沿着半径方向呈现低-高-低的变化趋势,受气量、沉积面与气体入口间距离的影响较大;从横截面看,石英玻璃坨体内部的温度场呈现环状分布,计算过程中需要考虑半透明介质辐射换热的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 CVD及其数值模拟的研究现状
• 1.2.2 导热与辐射耦合换热的研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 二氧化硅沉积理论及数值模拟
• 2.1 沉积炉的几何模型
• 2.1.1 沉积室结构
• 2.1.2 喷口结构
• 2.2 沉积过程的理论模型
• 2.2.1 数理模型
• 2.2.2 化学反应模型
• 2.3 数值模型
• 2.3.1 结构简化
• 2.3.2 网格生成
• 2.3.3 选择模型及设置参数
• 2.4 气体辐射特性UDF处理
• 2.5 数值模拟结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 沉积室及沉积体内的温度场优化
• 3.1 优化思路
• 3.2 定量计算与分析
• 3.2.1 中心管气量变化对温度场的影响
• 3.2.2 内环氧气管气量变化对温度场的影响
• 3.2.3 氢气管气量变化对温度场的影响
• 3.2.4 一环氧气管气量变化对温度场的影响
• 3.2.5 二环氧气管气量变化对温度场的影响
• 3.2.6 外环管气量变化对温度场的影响
• 3.2.7 喷口与沉积面距离变化对温度场的影响
• 3.2.8 中心管气体配比变化对温度场的影响
• 3.3 结论与建议
• 3.4 本章小结
• 第4章 石英体内导热与辐射耦合换热分析
• 4.1 导热与辐射耦合换热控制方程
• 4.1.1 求解辐射传递方程的有限体积法
• 4.1.2 导热与辐射耦合换热能量方程的有限体积法
• 4.2 数值模拟与分析
• 4.2.1 程序计算流程
• 4.2.2 算例验证
• 4.2.3 石英玻璃内部温度场计算及分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢