三维还的原炉内多晶硅化学气相沉积的数值模拟.pdf

第33卷第3期 太阳能学报 V01．33．No．3 2012年3月 ACTAENERGIAESOLARISSINICA Mar．，2012 文章编号：0254-0096(2012)03-0511-06 三维还原炉内多晶硅化学气相沉积的数值模拟 张 攀1，王伟文2，范军领1，陈光辉2，李建隆2 (1．青岛科技大学机电工程学院，青岛266061；2．青岛科技大学化工学院。青岛266043) 摘要：建立描述SiHCl，一H：系统中混合气体的动量、热量和质量同时传递，且耦合气体反应、表面反应的模型， Fluid Mechanics)软件Fluent6．2结合物质传递和反应模型，数值模拟三 研究利用计算流体力学CFD(Computational 维还原炉内物质分布规律、热传递现象和多晶硅的沉积特性。计算结果表明，随气体流量、硅棒表面温度和操作压 力的增加，硅沉积速率增长。理论研究结果对优化现有12对棒还原炉工艺参数和设计新型、大直径还原炉具有理 论指导意义。 关键词：化学气相沉积；数值模拟；还原炉；多晶硅 中图分类号：TB332 文献标识码：A 三元体系化学反应速率常数的准确性不高，因此准确 O 引 言 描述硅沉积动力学难度很大。很多文献从热力学平 多晶硅是半导体和太阳能产业的基础材料，随 衡角度讨论了si．H．cl体系的反应规律。SialE等旧1 着光伏产业和半导体工业的飞速发展，高纯硅材料 讨论了高温热力学平衡状态下三氯氢硅的分解和硅 在全球范围内呈现出供不应求的局面。越来越多的 的沉积速率；李国栋等Hj基于Gibbs自由能最小原理 国内外企业投入到多晶硅行业中，使得多晶硅行业 对西门子工艺的化学反应平衡进行了研究和分析，提 的竞争变得激烈，特别是目前，我国大多数企业采用 出优化的操作工艺条件。然而西门子炉内的温度梯 12对棒还原炉的西门子法，尚未完全掌握西门子法 度较大，气体反应不可能处于平衡态。 的大生产、低成本技术，而国外大型还原炉的直径达 本文在建立描述SiHCI，一H：系统中混合气体 3m，硅棒总数达100根以上。使得我国多晶硅行业 的动量、热量和质量同时传递，且耦合气体反应、表 的竞争力大打折扣，迫切需要研究开发先进的多晶 面反应模型的基础上，研究利用计算流体力学CFD 硅生产工艺技术和设备。梁骏吾¨1指出要提高产品 Fluid (Computational 质量和产量，必需在炉体的设计上下功夫，解决气体 物质传递和反应模型，数值模拟12对棒还原炉内物 动力学问题，加大炉体直径，增加硅棒数量。只有充 质分布规律、热传递现象和多晶硅的沉积特性，探讨 分了解反应物和生成物的组成以及每步反应的最佳 气体流量、壁面温度、操作压力对多晶硅硅沉积速率 条件，才能正确设计工厂的工艺流程及装备。 的影响。 目前，改良西门子法的生产能力占世界多晶硅生 1 物理模型 产能力的约78％。西门子法的原理是以氢气为载气， 三氯氢硅气体在多晶硅还原炉内的高温硅棒表面以 1．1多晶硅硅沉积数学模型 气相沉积方式生产多晶硅，多晶硅的沉积速率取决于 由于模型中温度梯度大，各种物理、化学过程相 气体流量、流体动力学特性、硅棒表面温度、炉内压 互影响、相互制约。要准确描述多晶硅化学气相沉 力、气体配比(氢气与硅源气体的