西门子CVD法制备多晶硅是当今最为主要的高纯多晶硅制备工艺。其主要设备多晶硅还原炉内涉及气体的湍流流动,对流和辐射换热,含有大量中间产物的气相分解反应,多晶硅在高温表面的沉积和晶体生长等复杂的物理化学过程。本文选用合适的化学反应机理、物理模型与数值方法,对西门子多晶硅还原炉内的传质,传热和化学反应进行了模拟研究和讨论。三氯氢硅通过氢气还原制备多晶硅一次转化率很低,合适的工艺条件对提高多晶硅产率十分重要。本文采用最小吉布斯自由能理论,估算不同温度、压力和进口气体配比条件下,反应器内的平衡组分和三氯氢硅转化率。当进口氢气和三氯氢硅摩尔配比为2.8：1、反应温度在1400K、操作压力为0.3Mpa时,可以获得较高的三氯氢硅转换率,同时得到较低的副产物浓度。西门子多晶硅还原炉内涉及复杂的气相／表面化学反应,本文对文献报道SiHCl3-H2体系下硅的化学气相沉积过程相关实验进行了归纳和比较。采用边界层反应模型和Chemkin模拟软件,耦合不同气相与表面化学反应机理,选取不同文献报道实验的反应器模型,对不同条件下硅的化学气相沉积过程进行了模拟计算。通过与文献报道的三组实验数据对比,验证现有反应机理的模拟精度,提出一套修正化学反应机理(ho-modified),可以准确地预测工业级西门子多晶硅还原炉条件下多晶硅的沉积速率。Chemkin软件只能用以模拟计算简单反应器模型。采用可模拟复杂湍流化学反应过程的Ansys Fluent软件,模拟计简单反应器中硅的化学气相沉积速率,与Chemkin计算结果对比,验证Ansys Fluent模拟方法的可靠性。通过小型西门子多晶硅反应器模拟验证,确定工业级西门子多晶硅反应器的模拟计算的子模型为：realizable k-s双方程模型求解还原炉内气体的湍流流场；涡耗散概念模型模拟耦合湍流和化学反应；离散坐标辐射模型模拟还原炉内硅棒与炉壁、硅棒与炉内反应气体、硅棒与硅棒之间的辐射传热过程；详细的气相/表面反应机理(ho-modified)能够准确地预测多晶硅沉积速率。应用计算流体力学方法耦合详细气相表面化学反应机理,对硅棒直径分别为50mm,80 mm和100mm三种工况下的工业级西门子多晶硅还原炉内多晶硅的化学气相沉积过程进行模拟计算。对模拟结果进行敏感性分析：在固定单根硅棒热通量的条件下,硅棒直径为50mm时,硅棒表面温度较高,气相平均温度较低,多晶硅沉积速率受气相传质速率控制；硅棒直径增加到80 mm时,沉积表面温度降低到1361K,多晶硅的沉积速率受反应速率和气相传质速率共同控制；硅棒直径为100 mm时,硅棒表面温度较低,而气相平均温度较高,多晶硅的沉积速率受表面化学反应速率控制。多表面辐射传热模型可以计算封闭区域内漫灰表面之间的辐射换热,能够较为准确地预测多晶硅还原炉内的辐射热损失。应用多表面辐射传热模型,本文预测了不同硅棒布置和硅棒数目条件下,还原炉的单根硅棒平均辐射热损失。当硅棒数目增加时,还原炉内单根硅棒的辐射热损失会逐渐降低,但是,随着硅棒数目不断增加,这种降低的趋势逐渐放缓。综合考虑增大还原炉尺寸带来的设备制造安装成本提升,增加硅棒数目带来的能耗成本节约将越来越有限。