王曉靜，馬東云

(天津大學化工學院，天津 300350)

電子級高純多晶硅產(chǎn)品廣泛應用于電子信息行業(yè)，是國防航空、光-電轉換、人工智能、集成電路等領域的基礎材料[1]．全球高純多晶硅的年需求量在2,000～3,000,t，由于主要工藝掌握在美國、德國以及日本企業(yè)手中，因此，國內電子級高純硅基本依賴進口[2]．改良西門子法和硅烷法均能夠生產(chǎn)電子級多晶硅，但是采用硅烷法得到的電子級多晶硅純度更高而且具有低能耗、少污染等優(yōu)勢，因此，硅烷法得到了越來越多的研究探討[3]．

本文通過對傳統(tǒng)西門子反應器進行結構改進，設計出了適用于硅烷法的具有異型熱管結構的CVD反應器，利用 Fluent軟件對反應器內溫度場、硅烷濃度和沉積速率進行了數(shù)值模擬和探討，以期為新型反應器的工業(yè)化應用提供理論指導．

1 異型熱管反應器介紹

相較于傳統(tǒng)西門子反應器，異型熱管 CVD反應器進行了以下改進創(chuàng)新．

(1) 重新排置底盤電極．在同樣的硅棒數(shù)目條件下，底盤電極為六邊形排布的反應器直徑更小，硅棒表面積與單位反應器體積之比更大，這有利于硅棒與硅棒、硅棒與壁面之間的輻射傳熱，進而降低反應器的整體能耗．

(2) 改進進、出氣方式．傳統(tǒng)反應器的進、出氣口均分布在底盤上，這種設計主要有兩方面的缺點：①進氣口設置在底盤，不利于氣體的循環(huán)更新，反應器頂部容易產(chǎn)生溫度“死區(qū)”，硅烷在上部高溫區(qū)域的分解沉積較快，硅棒生長不一致，容易生上粗下細的“倒玉米”式硅棒，甚至發(fā)生傾倒；②出氣口設置在底盤，容易導致氣流短路，進料氣來不及進入反應器就隨尾氣排出，造成原料浪費，增加生產(chǎn)成本．為避免出現(xiàn)上述問題，異型熱管 CVD反應器進行了改進：將部分進氣管加長至反應器腔體中部，同時在反應器出氣口處設置引導筒，起到防止進料氣短路和導出尾氣的作用．

(3) 添加異形熱管結構．為改善傳統(tǒng)反應器內溫度分布，避免發(fā)生均相反應，在每對硅棒周圍均勻布置 10個熱管，如圖 1所示．異型熱管結構及優(yōu)點在筆者發(fā)表的文獻[4]中已有介紹，本文不再贅述．

圖1 異型熱管排布Fig.1 Positions of the shaped heat pipes

(4) 改進反應器穹頂結構．傳統(tǒng)反應器頂部為橢圓形封頭，僅靠外壁夾套中的冷卻介質冷卻，加之進、出氣口均設置在底盤，反應器頂部容易形成高溫區(qū)域．異型熱管 CVD反應器在還原段上部加設冷卻段筒體，利用冷卻介質降低反應器頂部溫度，同時將異型熱管冷凝段釋放的熱量帶走，避免溫度“死區(qū)”．文獻[5]給出了異型熱管 CVD 反應器結構圖，以及運用 Fluent軟件對傳統(tǒng)反應器與異型熱管反應器流場進行模擬比較的詳細分析，新型 CVD反應器結構參數(shù)見表1．

表1 新型CVD反應器結構參數(shù)Tab.1 Structure parameters of new CVD reactor mm

2 模型建立

2.1 幾何模型

圖2 新型CVD反應器三維模型Fig.2 Three-dimensional model of new CVD reactor

參照表1中異型熱管CVD反應器結構參數(shù)，在對其結構進行簡化的基礎上，利用 SolidWorks三維軟件完成模型建立工作，如圖 2所示．隨后將實體模型的1/2導入ANSYS中進行網(wǎng)格劃分并對硅棒進行加密處理．圖 3為網(wǎng)格獨立性驗證結果，由圖可以看出，當網(wǎng)格質量達到 250萬以上時，反應器內各截面溫差變小，不再隨網(wǎng)格變化出現(xiàn)大的波動，綜合考慮計算耗時和精度，本文選取的網(wǎng)格為270萬．

圖3 網(wǎng)格獨立性驗證結果Fig.3 Verification results of mesh independence

2.2 數(shù)學模型

硅烷法是將以硅烷為原料氣，氫氣或者其他惰性氣體為載氣的混合氣通入反應器，使硅烷分解以制備多晶硅的方法，產(chǎn)量約占全世界總產(chǎn)量的 20%,[6]．本文選擇氫氣作為載氣，參照 del Coso等[7]的研究，假設進料氣為理想不可壓縮流體，模擬過程為穩(wěn)態(tài)，流體流動滿足質量、動量及能量守恒方程．

反應器內部不僅存在流體對流傳熱、高溫硅棒輻射傳熱[8]，還存在硅烷分解反應熱．采用硅烷分解制取硅晶體的工藝中，反應器內涉及到的化學反應十分復雜，既包括發(fā)生在腔體空間的均相反應(腔體溫度達到 673,K)，也包括發(fā)生在硅棒表面的非均相反應(硅棒溫度達到 1,073,K)[9]．本文數(shù)值模擬忽略硅烷均相反應，并將非均相沉積反應進一步簡化為

Fluent求解設置中添加通用有限速率模型并選擇其中的Laminar Finite-Rate模型來模擬硅棒表面的反應，根據(jù)氣體手冊[10]得到硅烷在 1,073,K 左右的摩爾生成焓為 102.56,kJ/mol，因此硅烷分解為放熱反應．

2.3 邊界條件

結合實際工藝，設定入口速度為 20,m/s、進料氣預熱溫度為 473,K，基于黃國強等[1]的研究，進料氣中硅烷的摩爾分數(shù)設為0.01，進料氣熱力學性質參照混合氣體估算原則計算，吸收輻射率為 0.05,m-1，計算得到湍流強度為2.8%，湍流模型為Standardk-e，輻射模型為DO，出口采用 out-flow完全發(fā)展流動形式，同時采用無滑脫邊界條件，近壁面函數(shù)為Scalable Wall Functions，查閱相關資料[11]，壁面邊界條件設定見表2．

表2 各個壁面溫度和發(fā)射率Tab.2 Surface temperature and emissivity of all walls

Fluent模擬計算中采用Least Squares Cell Based梯度方法，動量、湍動能和湍流耗散率方程均采用一階迎風差分格式，壓力-速度的耦合方程設為SIMPLE算法，連續(xù)性、動量守恒等方程的計算精度設置為 10-3，能量方程的計算精度設置為 10-6，監(jiān)控殘差曲線的變化，達到收斂條件后，流體動力學數(shù)值模擬計算完成．

3 結果分析與研究

3.1 溫度場特性

圖 4為進口速度v＝20,m/s、硅棒生長直徑D＝100,mm時，反應器內x-y平面各截面溫度分布．

圖4 新型反應器內溫度分布Fig.4 Temperature distribution of new reactor

由圖 4可以看出：反應器內溫度場分布比較理想，頂部不存在溫度過高區(qū)域；硅棒附近溫度較高，溫度維持在 1,073,K；反應器進氣管附近的溫度值偏低，這是由于進料氣僅經(jīng)過預熱，溫度不是很高(模擬分析中混合氣預熱溫度為 473,K)，頂面溫度偏高，在實際生產(chǎn)中可以提高頂面冷卻水流量，及時帶走多余的熱量．

參照段連等[12]的方法，利用標準方差來分析反應器內x-y平面各截面溫度分布均勻程度并與之對比．標準方差計算式為

式中：S為溫度標準方差；T為溫度平均值；Ti為任一溫度值；N為總的溫度值數(shù)．按照式(2)計算得到進口速度v＝20,m/s、硅棒生長直徑D＝100,mm 時，反應器內x-y平面上各截面溫度標準方差見表3．

表3 各截面溫度標準方差Tab.3 Standard deviations of all cross-sections

由表3可以看出，異型熱管CVD反應器各截面溫度標準方差均遠遠低于文獻[15]中的數(shù)值，且各截面的溫度標準方差均不超過 8,K，最大溫差變化率為1.39%，這表明反應器內溫度分布比較均勻，因此，后續(xù)分析中以溫度均值代表各截面的溫度．

3.1.1 進口速度對溫度場分布的影響

圖 5給出了進口速度v為 10,m/s、20,m/s、30,m/s、40,m/s和 50,m/s，硅棒生長直徑D＝100,mm時，反應器內x-y平面z為 50,mm、500,mm、1,000,mm、1,500,mm和1,800,mm截面的溫度均值．

圖5 不同進口速度下各截面溫度均值Fig.5 Average temperature value of cross-sections under different inlet velocities

由圖5可以看出：各截面溫度均值隨進口速度增大而減小，這是由于進口速度增加，相同時間內進入反應器的進料氣增多，而進料氣溫度較低同時隨著進口速度增加，各截面的溫差變化減小，有利于沉積反應的進行，實際生產(chǎn)中適宜將進料速度控制在 30～50,m/s，使反應器內各截面溫度保持穩(wěn)定；不同進口速度下，各截面最大溫差變化率為4.64%，反應器內各截面最大溫度均值為610,K，低于硅烷氣相成核的溫度．

3.1.2 硅棒直徑對溫度場分布的影響

圖 6給出了進口速度為v＝20,m/s，硅棒直徑D為 60,mm、80,mm、100,mm、120,mm 和 140,mm 時，反應器內x-y平面z為 50,mm、500,mm、1,000,mm、1,500,mm和1,800,mm截面溫度均值．

圖6 不同硅棒直徑下各截面溫度均值Fig.6 Average temperature value of cross-sections under different diameters of silicon rods

由圖 6可以看出：隨著硅棒直徑增大，各截面的溫度均值不斷變大，這是由于硅棒表面積增大，相同時間內將輻射更多的能量，實際生產(chǎn)中要合理降低底盤電極功率；不同硅棒生長階段，各截面最大溫差變化率為 9.44 %,，最大溫度均值為 652,K，低于硅烷氣相成核的溫度．

3.2 硅烷濃度特性

圖 7給出了進口速度v＝20,m/s、硅棒生長直徑D＝100,mm 時，反應器內x-y平面z為 50,mm、500,mm、1,000,mm、1,500,mm和1,800,mm截面的硅烷濃度分布．

圖7 不同截面硅烷濃度分布Fig.7 Silane concentration distribution of different crosssections

由圖 7可以看出：整體地，各個截面的硅烷濃度大致保持均勻；z≤500,mm 時，硅烷濃度偏高，這是由于反應器下部空間溫度較低且底盤存在的冷卻裝置，使得發(fā)生在硅棒表面的沉積反應速率偏低，硅烷分解反應消耗較少；硅棒附近區(qū)域的硅烷濃度偏低，這是由于硅棒表面溫度較高，硅烷分解較快．

3.2.1 進口速度對硅烷濃度的影響

圖 8給出了進口速度v為 10,m/s、20,m/s、30,m/s、40,m/s和 50,m/s，硅棒生長直徑D＝100,mm時，反應器內x-y平面z為 50,mm、500,mm、1,000,mm、1,500,mm和1,800,mm截面硅烷濃度．

圖8 不同進口速度下硅烷濃度Fig.8 Silane concentration under different inlet velocities

由圖 8可以看出：不同條件下，隨著進口速度增加，單位體積內硅烷濃度顯著提高，這是由于在相同時間內，進入反應器的硅烷質量增加，而腔體空間是固定的，所以硅烷濃度變大；相同進口速度條件下，各個截面的硅烷濃度值相差不大，這表明反應器內硅棒不同高度處的沉積反應速率大致相等，硅烷分解反應同時進行，可以獲得生長均勻的硅棒．

3.2.2 硅棒直徑對硅烷濃度的影響

圖9給出了進口速度v＝20,m/s，硅棒直徑D為60,mm、80,mm、100,mm、20,mm 和 140,mm 時，反應器內x-y平面z為 50,mm、500,mm、1,000,mm、1,500,mm和1,800,mm截面硅烷濃度．由圖9可以看出：不同生長階段，隨著硅棒直徑的增加，反應器內硅烷濃度逐漸降低，這是由于在相同的進口速度下，進入反應器的硅烷總量是相同的，而硅棒直徑越大，硅烷與硅棒表面接觸的概率也就越大，反應消耗更多的硅烷，因此，實際生產(chǎn)后期要注意提高硅烷比例；相同直徑條件下，不同截面處的硅烷濃度相差不大，這同樣表明反應器內硅烷分解并沉積在硅棒表面的速率相同，避免產(chǎn)生“玉米棒”．

圖9 不同硅棒直徑下硅烷濃度Fig.9 Silane concentrations under different diameters of silicon rods

3.3 沉積速率特性

圖10為進口速度v＝20,m/s、硅棒生長直徑D＝100,mm時，異型熱管 CVD反應器內硅棒表面的沉積速率．由圖 10可以看出：反應器內硅棒表面沉積速率較為均勻；硅棒底部局部區(qū)域沉積速率偏低，主要是因為進料氣溫度較低(473,K)和底盤存在冷卻裝置(473,K)；頂部搭接硅棒的中間區(qū)域沉積速率偏高，這是由于反應器頂部的溫度略高，但是范圍很小并不會對硅棒生長的均勻性造成很嚴重的影響，實際生產(chǎn)中可以考慮加大頂面冷卻水流量，降低反應器頂面溫度．

3.3.1 進口速度對沉積速率的影響

圖 11給出了進口速度v為 10,m/s、20,m/s、30,m/s、40,m/s和 50,m/s，硅棒生長直徑D＝100,mm時，硅棒表面沉積速率的變化．由圖11可以看出，硅棒表面的沉積速率隨著進口速度增加而逐漸提高，這是由于進口速度的增加使得相同時間內進入反應器的硅烷質量增加，一定的空間內硅烷濃度隨之變大，表面沉積反應速率提高．實際生產(chǎn)中，要依據(jù)沉積速率的變化合理調節(jié)進料氣速度，使硅棒各個生長階段的沉積速率保持穩(wěn)定，進而可以獲得表面質量良好、粗細均勻的硅棒．

圖11 不同進口速度下硅棒表面沉積速率Fig.11 Surface deposition rates of silicon rods under different inlet velocities

3.3.2 硅棒直徑對沉積速率的影響

圖12給出了在進口速度v＝20,m/s，硅棒生長直徑D為 60,mm、80,mm、100,mm、120,mm和 140,mm時，硅棒表面沉積速率的變化．由圖12可以看出，隨著硅棒直徑的增加，硅棒表面的沉積速率逐漸降低，這是由于隨著硅棒增粗，各截面硅烷濃度降低，沉積反應過程變緩．實際生產(chǎn)中，要依據(jù)沉積速率的變化合理調節(jié)進料氣配比，增大硅烷濃度，使硅棒各個生長階段的沉積速率保持穩(wěn)定．

圖12 不同硅棒直徑下硅棒表面沉積速率Fig.12 Surface deposition rates of silicon rods under different diameters

4 結 語

通過對傳統(tǒng)西門子法反應器進行結構改進并結合熱管傳熱機理，設計出一套適用于硅烷法生產(chǎn)電子級高純多晶硅的CVD反應器，并利用Fluent軟件對引入硅烷分解過程的流場進行了數(shù)值模擬與研究．結果表明：異型熱管的加入改善了反應器內溫度分布，不同條件下，反應器內溫度均低于硅烷氣相成核溫度；反應器內各截面的硅烷濃度大致保持均勻，隨著實際生產(chǎn)過程的進行需要根據(jù)沉積速率的變化合理調節(jié)混合氣流量和配比，使硅烷保持恒定的速率分解并沉積在硅棒表面，以獲得表面質量良好、粗細均勻的硅棒．

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