多晶硅气相沉积反应器的研发与应用

计算结果分析 有 限元 分析 包括 多种 工况 下的安 全性校 核 。 以
壁面条件的影响 多晶硅的生产 电耗较大 , 多渠道节能 降耗 生产是
同时考 虑温差 应力及 内压共 同作 用的危险工况为 例 。 分析 时考 虑 支撑板 上部 容器 及下 部冷却 管箱 内 的设 计温度与设计压力 , 并同时考虑 电极的重力作用进行
由图可见 , 混合 气流从喷嘴出射 , 在空 间上升经 由壁 面 回流至 还原炉底 部并流 出 , 整体气体分 布较 均匀 , 气体 沿 着 硅芯 平滑 分布 , 表 面形 成均 匀分 布 的气 体 膜 , 便于反应沉积 的进行 。第一种方式布置 的喷嘴顶 部流速较 小 , 在硅棒横梁上方形 成峰型分布 , 并存在 流动漩 涡 , 导 致硅 棒表面气 体速 度不均匀 , 尤其在第 二圈环状 布置的硅棒表面 , 气体速度较大 , 可能影响 硅棒 的生长 。 由此可见 , 喷 嘴应尽可能与硅棒形成周 期均布 , 满足每组硅棒 表面的等 流通 面积 , 从而使硅
,
户
、
其中
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静压 方 向上的重力体 积力 和外部 体积 力
,和 户 飞 — 几—
,,
应力张量 , 由下式给出
产二 一` 丁二
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又 汰,
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图
表面 反应原 理
能 量方 程考 虑热 量 的对流 传递 、 辐 射传热 , 同 时考虑化学反应引起 的传热源项和粘性耗散 热 。
。 二二 。一
性参数如导热系数
月 一 一 有效导热率
、 粘度系数 俩 、 比热
和扩
。求 解
, 分别采用动力学关 系式 温度 的函数 和
叉 一 组分 的 扩 散 通 量。
物质输运方 程
日 ,、 二 卫 日 ” , 六 ,、 厂刀 一护 一 了` 。
混合气体关系式 气体摩尔分数 的函数 表示 器采用分离格 式 , 压力 、 速度 间的藕合采用 算 法 , 化 学反应源采 用
芯表面稳定的速度边界层 。
一 ﹃ ︸ ︸ 一
, 而随着 一
沉积 。
下能耗最 大 。 综合选择 ,
的操作压力 有利于 快速 、 节能 的多晶硅
一 月
户 貂 共 罗 例 琴 ︾ 。
嚣
图 两种出口方位对气体流动的影响
流量 · 一
同时 , 对大 型还 原炉 , 密集 的硅 芯布置 实现 了
更 均匀的流场分 布 , 可加快硅 的沉积速率 , 提高热 能 利用率 , 节 能降耗 。 操作压力的影响 压 力是影响硅 的气相沉积过程 的关 键因素之一 。 对钟罩式 的还原炉 , 加压操作 有利于加快硅 的沉积反 应 , 合适的操作压力选择可以缩短反应 时间 , 提高年
多 晶硅钟 罩式 还 原炉 内 的高温硅 芯表 面以气 相沉积 方式生 产棒状 多 晶硅 ' 一。生长过 程存在长 时间沉积
稳定性 、 厚度均匀性 、 表面平整性 以及 沉积过程重复
胜等问题 , 气体 流型控制着不同组 分气体 向沉积表面 输运 , 直接影响沉积均匀性及沉积产物的质量 。 本 文利用 流 体力 学 的 组 , 建立 了描述 卜 偏微 分方 程
又 一。 阴 ,· 金
, —
夕 —
混合物 中第 种物质的扩散 系数
产,
湍流施密特数 , 叹 万 尸
。
影 响气体流动与传热 , 从而影响硅的沉积 冈。
化
工
设
备
与 登
道
第
卷第
期
图
给 出底 盘气体 喷嘴方位对气体分 布的影响 。
生产能力 。 由图 可 以看 出 , 压力提 高 , 随着 流 量 的增加 , 硅 的生长速 率增加 , , 而达到 速率变化不大 。 与 后 , 再提 高压力至 间变 化尤 为明显 , , 硅 的生长
白 叫
洲 冲
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二
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一日 日
还 原炉 装 置
应器结构 , 设计大型节能还原炉 。在此 基础上分析气
体流量 、 气体配 比 、 温度 、 操作压力等对硅沉积速率 的影 响 , 给出硅生长过 程的操作 曲线 , 指导工业生产 。
作 者简 介
张 华芹
一 , 女 , 江苏 大 丰人 ,
从事流体混合 与反应 器的优化设计工作 。
多晶 硅气 相沉 积反应 器还原 炉 的结构 复杂 , 其 中底盘包括上底板 、 电极座 、 进气 口 、 尾气出 口 、 底 盖法兰和下底板 。根据反应介质属性 以及材料设 计加 工工艺 的要求 , 各部 件材质强度不 同 。通过底盘结 构 有 限元应力分析可 以优化底盘设计 , 降低底盘上底 板 的壁厚 , 提高底盘夹套的传热效率 , 优化 电极底座 的 结构 , 防止 电极底温度过高 , 密封垫 片失效而导致 电 极被击穿 。 采用 建 立 了三维实 体模 型 , 进行 分析 。 进 行有 该底 盘结构基本上为轴对称 , 在设计工况下结构及承 受 的载荷均为轴对称 , 因此 , 可取结 构的
伏发电的广泛应用 。
,
数值计算
物理模 型
的氢还 原 在 大型 钟 罩式 还 原 炉 中 进 行 , 装 置如 图 统 所 示 , 主要 由五 部分 组成 炉体 。 气路系 与 电极加热 系统 夹套 及底盘冷 却系统
同时 , 研发先
硅芯 , 沉积在硅芯 表面发生
进 的多 晶硅生产技术 与装备 , 降低生产成本 , 促进光 目前 制备 太 阳能级 多 晶硅主要 采用化 学气相 沉 积 法 , 包 括 三氯 氢硅 氢还 原法 即改 良西 门 。其 中 , 子法 、 新硅烷热分解法 以及硅烷流化床法 的
第
卷第 期 年 月
化
工
设
备
与
管
道
·单
乙 义备
·
多晶硅气相沉积反应器 的研发与应 用
张华 芹 , 茅险荣
上海森松新能源设备有限公司 , 上海
摘 要
基于多晶硅的化 学气相沉积技术与工艺 , 运用计算流体力学
的气体运动的组分运输和表面
反应动力学模型 , 采用
一
对 多晶硅的生长过程进行模拟计算 , 运 用有限元应 力分析
内 , 能耗低至
一 犯
方法 ,
对复杂设备结构进行热应力计算和强度安全性校核 , 研发并设计一 系列大型高产能 、 低能耗的 多晶硅 反 应器 。 该 系列的反应器广泛应用于国内外多晶硅 生产线 , 产能达 关键词 多晶硅 化学气相沉积 计算流体力学 有限元应力分析
文献标识码 文章编号 一 一 中图分类号
瓜 。
多晶硅被喻 为微 电子产业和光伏产业的 “基石 ”, 是半导 体 、 大规模集 成电路 和太 阳能 电池产业 的重要 基础原 材 料 。在 发展 低碳 经济 的大 背景 下 , 太 阳能 作 为可再生 的洁净 能源受到 了世 界各 国的高 度重视 , 产业规模 的急剧扩大 , 使得硅材料在全球范围 内呈现 出供不应求 的局 面 。因此 , 迫切要求大力发展多晶硅 产业 , 满足光伏 市场对原材料 的需求
2 0 12 年
月
张华芹 , 等 多晶硅 气相沉积反应 器的 研 发与应 用
数 学模 型
反应模 型采 用涡 耗散 概念 应净源项通过 计算 。
模 型 。 化学 反
化学 气 相沉 积法 制备 的多 晶硅过程 中温 度梯 度 大 , 存在 气体流型稳定性 、 反应温度分布均匀性 、 产 物浓度平 衡性 等 问题 。本文将流体力学 和表 面反应动 力学模 型应用于多 晶硅生长过程模拟 , 计算还原 炉中 的速度 流动场 、 温度场 、 表面反应及 扩散过 程 , 建立 生长初始 条件和反应过程各组分的理论关 系 。控制方
学软件 一
算法 , 应用计算 流体力
求解 。
其中
鱿—
每种物质 的质量分数
一 物质 , 的 扩散 通 量, 由 浓 度 梯 度 产 生。
计算结果分析
, 几何结 构的影响 反应 器 主体 由夹 套 式钟 罩 和底 盘 组 成 , 其 中 , 底盘布置多对 电极放置硅芯 , 同时布置多个进气喷嘴 以及 出气管 。 电极 、 进气 喷嘴和 出气管 的布置方式均
亡, 嗯 已 , ,
一 体 系 中混 合气体 的流体 力
学和表面反应动 力学模型 , 探讨反应器结构对气体流 动 、 传热及反应 的影 响 , 并结合有 限元分析方法对复
杂反应 器结构进行热应力分析 和安全性校核 , 优化反
图
收 稿 日期 一 一
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下 尸 胆 刃叮 泊 口 厂
一 盆奋 一 一二
即
几 程 师 。 主要
计算 方法 计算 网格 以整 体流体 域为计 算域 , 采 用 划分 , 考虑硅芯表面的辐射传热及表 面反应 , 对硅芯
表面 网格加密 。 为了简化所建 立的数学模型 , 首先做 如下基本假
景,
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其中
乙
设 气体
散 系数
还原炉内各组分气体在较低 压力下均看作理想 气体 在沉 积室 内作定常 流动 气体热 物
控制生长过程产 物品质和尾气组分 的关键 。传热系统 包括 高温硅棒 的辐 射 、 炉 内气体的对流 以及底盘和夹 套水 的冷却 。 图 、 图 计 算结果给 出气体 、 硅 棒表
设计
模型建立
面及硅 芯 、 炉 壁等温度 分布 。为还原 炉夹套 的设 计 , 底盘冷却 水流道 的设计提供参考 。
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日 叹 一
`扰 矛
,
值 , 也即
浓度超过 临界值 ,
其中
—
流体密度
用 , 沉积速率下降 一。因此 , 硅生长过程中控制 浓度是加快沉积速度 , 提高产量的关键 因素之一 。
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— 方 向的速度 。 动量 方程
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混合气体经过一套组合喷嘴进人炉体 。混合气体上升 过程中形成稳定 的气体射流 , 受 硅芯表面阻力作用形 成一定厚度 的速度边界层 , 满足热力学条 件时反应气 体通 过边界层 向硅芯表面扩散 发生表 面的多晶沉积 ,
径 向生长 。
改 良西 门子 法 的生产 能力 约 占世 界多 晶硅 生产能 力
。 其原 理是 以氢气 为载气 , 三氯氢 硅气体 在
,` 。
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为支撑结构 的 模型 。
摆 一 赞 ︸
限元建 模分 析 , 而在 轴对称 面施加 对称 约束 。 图
图 温 度分 布
一 门 卜 硅 棒表 面
一 月 卜 硅芯
尸 蝎 侧 、
一 卜 进 口气 体 主体气 体 月 卜 夹套 内表面
胜 口 哪 。
时 间击
图,
底 盘支撑 结构
模型
生长 周期 内各 温度 变化趋 势
图
操作 压 力对 单位 能 耗的 影响
温度 的影响
还原炉中硅的沉积 发生在
℃ 左右 的硅芯表
面 。硅芯 由高压 电源击穿后通过 电流 、 电压的施加来
控制表面温度 。温度 的均匀性分布是硅棒均匀生长 的
重 要 因素之一 , 特别 是硅 棒与 炉壁 间 的温 度梯 度是
2 0 12 年
月
张华芹 , 等 多晶硅 气相 沉积反应 器的研发 与应 用
程 ,一如下 连续 性方程
子 子
尺 ` 一 对 、,,艺天 ,,
表面反应机理
反应气体转移到基体上方 反应气体被 基体表面 吸附 基 体表面化学反应 表面成核与扩 散 副产 物 从基体 表面解 吸 副产物从基体上方 转移走 , 重 新 回 到宏观 主气流 , 图 简单描述 这一过程 中表面反应 起 主导作用 , 其 中, 。反应 过程 浓度超 过平衡 刻蚀将起主导作
棒均匀生长 。
一 蜕 霎 瑕 铃 泪 罄 ︵ 的 。
流量
·『
图
操作 压力对 硅 沉积 速 率的 影 响
由图
可 以看 出 , 随三 氯氢硅 质量 流率 的增加 ,
不同压力下 的单位质量硅的能耗下降 , 压力 的影 响较 复杂 , 提高压力后 , 单位 能耗并不 顺序增加 , 初始阶
图 两种 喷嘴 方位对 气体 流动 的影 响
施加 的载荷 。 图 给 出整体应 力分布情况 。 最大应
八 目
关键 。通过改变炉体钟罩表面条件 , 合 理利用高温硅 棒的辐射传热 , 提高能量 利用率 。 图 给出不同材料 壁面条 件对硅沉积 过程能耗 的影响 。在控制成 本的条 件下可合理选择材料 , 改善炉体内壁条件 , 降低能耗 。
力在上底板上表面外环 电极座 的周边 。
段, 的增 加 , 压力后 ,
和
相差不大 , 随着 下 的能耗小 于 下 , 开始阶段 能耗大 于 流量增 加 , 能耗 降低 , 。 而
流量 而在提 高 及
图
给 出底 盘 出 口布置 方式 以及 电极布 置对 气
体分布 的影 响 。 由图可以看 出 , 多个 出气 口的分布使 得 向下 的气体 与 新鲜 物料 充满整 个炉 体 , 均 匀地 流 动 , 至出气 口排 出 , 保证了气体分布的均 匀性 以及硅