多晶硅化学气相沉积数值模拟研究进展.pdf

第42卷 第 9期 化 工 技 术 与 开 发 V01．42 No．9 2013年9月 TechnologyDevelopmentofChemicalIndustry Sep．2013 多晶硅化学气相沉积数值模拟的研究进展 薛连伟 (山西潞安高纯硅业科技公司，山西 长治 046000) 摘 要：介绍了多晶硅气相沉积反应的几何模型和数学模型。回顾了多晶硅沉积反应机理的研究成果。重 综述了 近几年国内外还原炉I~SiHC13-H系统三维过程数值模拟的研究进展，并对其评述。讨论了化学气相沉积数值模拟的研究 现状和存在的问题 ，展望了今后的发展方向。 关键词：多晶硅；化学气相沉积；数值模拟 中图分类号：TQ018 文献标识 ：A 改 良西门子法是生产多晶硅最主要的生产工艺 法，数值模拟方法具有费用低、速度快、研究周期相对 之一，其生产能力 占世界多晶硅生产能力的78％。 较短、重复陛好、易于修改等优点，还可以观察不同操 改良西门子法制备多晶硅的核心技术是化学气相沉 作参数对求解问题的影响，弥补了理论分析和实验测 积生长硅棒的技术，该技术成熟与否将直接影响多 量法的不足。利用模拟软件对还原炉内部的复杂流 晶硅的产量、质量和综合能耗。目前，该技术被少数 动、物料分布、温度分布等获得完整的数据，然后将其 的几个发达国家垄断，我国已经投产或者达产的多 三维模型在计算机屏幕上形象地再现，为设计人员和 晶硅生产企业大部分都采用从德国或俄罗斯引进的 操作人员改进设计和控制提供理论依据，同时也可节 技术，各生产企业根据实际生产情况，对进 口的设 省大量的人力和物力，缩短实验研究时间。 备或工艺进行局部改进，在一定程度缓和了对国外 1数值模拟的模型 技术的过分依赖，也加深对该技术的理解，但核心的 技术仍未被掌握。众所周知，多晶硅生产工艺复杂， 1．1几何模型 原料或中间产物化学性质不稳定，都是剧毒、易爆炸 查阅文献发现，多晶硅的物理模型主要有两种，一 物质，单纯靠实验方法去优化工艺参数，第一成本太 种是假设西门子反应器中的硅芯之间的边界是绝热密 大，需外购三氯氢硅等原料和设备；第二，危险性大， 闭的，硅芯的沉积反应都是对称的，选用一中空的圆柱 一 般的实验室难以满足苛刻的安全条件；第三，进行 体作为反应的几何模型，内柱面定义为硅芯，作为气象 化学气相沉积实验需要配备尾气回收系统、储罐等， 反应的表面，外圆柱面作为反应的边界，混合气体由下 实验设备多，系统复杂。 面的环面进 ^，尾气由上环面排除，如图1圜。一种是三 化学气相沉积生长硅棒的原理是高纯三氯氢硅 氯氢硅和氢气的混合气由气体进 口进入反应器，假设 和氢气进入还原炉在高纯硅芯表面发生的气化学沉 多晶硅的气相沉积发生在衬底上，如图 。目前，国内 积反应(CVD)。还原炉内化学反应极其复杂，沉积 大多数数值模拟，也基于以上两种模型。 速率与气体流量、配比、炉内压力、流体力学特性有 关 1【】。还原炉内涉及极其复杂的流动、物料输送、热 对流及热辐射模拟分析，因此对计算模型的网格离 散要求极高。 随着计算机硬件技术的提高，以及强化传热技术 和计算流体动力学的发展，用数值模拟方法来研究还 原炉内SinCh-H系统中物质分布、热量传递现象和多 图1 三维硅沉积集合模型的俯视图和侧视图 晶硅沉积特性的技术也越来越广泛。相对于试验方 Fig．1-1 3DCVDgeometrytopandsideview 收稿日期 ：2013-07-01 30 化 工 技 术 与 开 发 第 42卷