多晶硅气相沉积反应器的研发与应用.pdfVIP

第49卷第5期 化 工 役 备 与 管 道 、，o1．49 NO．5 2012年 10月 PROCESSEQUIPMENTPIPING Oct．2012 · 单 元 设 备 · 多晶硅气相沉积反应器的研发与应用 张华芹，茅陆荥 (上海森松新能源设备有限公司，上海 201323) 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(cFD)的气体运动的组分运输和表面 反应动力学模型，采用Ansys—Fluent对多晶硅的生长过程进行模拟计算，运用有 限元应力分析(FEA)；6-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500t／a，能耗低至45kW ／kg。 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 中图分类号：TQ052 文献标识码：A 文章编号：1009—3281(2012)05—0024—05 多晶硅被喻为微电子产业和光伏产业的 “基石”， 1 CFD数值计算 是半导体、大规模集成电路和太阳能电池产业的重要 1．1 物理模型 基础原材料。在发展低碳经济 的大背景下，太 阳能 SiHC1的氢还原在大型钟罩式还原炉 中进行 ， 作为可再生的洁净能源受到了世界各国的高度重视， 装置如图 1所示 ，主要由五部分组成 ：(1)气路系 产业规模的急剧扩大，使得硅材料在全球范围内呈现 统；(2)电极加热系统；(3)夹套及底盘冷却系统；(4) 出供不应求的局面。因此，迫切要求大力发展多晶硅 硅芯，沉积在硅芯表面发生；(51炉体。H，与SiHC1 产业，满足光伏市场对原材料的需求；同时，研发先 混合气体经过一套组合喷嘴进入炉体。混合气体上升 进的多晶硅生产技术与装备，降低生产成本，促进光 过程中形成稳定的气体射流，受硅芯表面阻力作用形 伏发电的广泛应用。 成一定厚度的速度边界层，满足热力学条件时反应气 目前制备太阳能级多晶硅主要采用化学气相沉 体通过边界层向硅芯表面扩散发生表面的多晶沉积， 积 (CVD)法，包括三氯氢硅氢还原法 (即改 良西 门 径向生长。 子法 )、新硅烷热分解法以及硅烷流化床法 _l_。其中， 改 良西门子法的生产能力约 占世界多晶硅生产能力 的80 。其原理是 以氢气为载气，三氯氢硅气体在 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 [1-2]。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 性等问题，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Navier．Stokes偏微分方程 组，建立了描述 SiHC1．H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1 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 收稿