基于數值模擬電子級多晶硅還原爐流動結構改進研究

梁世民，張勝濤，何銀鳳，付 昊，趙麗麗

(1.青海黃河上游水電開發有限責任公司光伏產業技術分公司，西寧 810000; 2.哈爾濱工業大學化工與化學學院，哈爾濱 150000)

1 引 言

近些年，電子信息產業，特別是高科技領域對電子級高純多晶硅的需求量越來越大。改良西門子法是生產多晶硅的主流技術，占比超過78%[1-2]，其主要核心生產設備是西門子CVD還原爐[3]。在爐體內部，氣體流動主要是強制對流，混合進料氣體經過多個噴嘴噴射到還原爐內部，停留一段時間后夾帶著反應尾氣的混合氣體排出。除了補充化學氣相沉積反應的反應物和帶走反應尾氣，還原爐內混合氣體的流動還深刻的影響著還原爐內，特別是硅棒表面的溫度分布[4]。因此，通過改變沉積區域傳質邊界層厚度和沉積區域溫度分布，還原爐內氣體流動結構對多晶硅沉積過程有著直接的影響[5]。

噴嘴和出氣口的布置對還原爐內氣體流動發揮著至關重要的作用[6]。對于特定的還原爐來說，噴嘴和出氣口的位置是固定的，而噴嘴自身則可以更換，且成本低廉。現役9對棒CVD還原爐的噴嘴和出氣口分別均分在底盤不同內徑的圓環上，其噴嘴直徑均相同(下文稱原有設計)。但是該底盤結構設計存在缺陷，容易造成爐內氣體流動不暢，底部和頂部存在較多的氣體停滯區，致使硅芯表面溫度分布不均，直接導致每爐次多晶硅中高品質電子級多晶硅的比重和沉積速率較低，產品單位能耗非常高。

通過對不同位置噴嘴的直徑進行調整，實驗提出了新的底盤設計(下文稱優化設計)。實驗采用PolySim軟件對國內電子級多晶硅生產所用的9對棒還原爐原有設計及優化設計分別進行了建模，對兩種設計還原爐內流場和溫場情況進行了對比分析，結果表明改進設計能提供更好的流動結構。結合實際生產，也驗證了改進設計下的還原爐在提高多晶硅沉積速率與沉積致密性等方面較原有設計有著更加優異的表現。

2 實 驗

原有設計的6個進氣噴嘴均分在距底盤中心一定距離的圓環上，直徑均為0.009 m。和原有設計相比，優化設計將直徑的調整為間隔布置的直徑分別為0.007 m和0.011 m兩組噴嘴，兩種方案的CVD還原爐模型通過PolySim軟件3D模塊建立，爐體及硅棒的物理參數見表1。

表1 不同設計還原爐幾何參數Table 1 Geometrical dimensions of different reactors

模擬計算前通過PolySim軟件網格生成器模塊進行網格劃分，設定單元大小為0.01 m，過渡因子為1.4。完成3維網格建立后的網格質量參數見表2。原有設計網格單元數目為6854923，優化設計網格單元數目達到6912582，網格質量符合要求。

表2 網格模型質量參數Table 2 Parameters of the grid model quality

硅棒直徑生長到90 mm時對應硅棒沉積過程的中后期，對考察爐內流場、溫場結構具有重要意義。實驗對該直徑下原有設計及優化設計還原爐分別進行建模。邊界條件參數包括該生長時刻下SiHCl3(TCS)、H2進料量、硅芯加熱電流、硅棒發射率、爐壁溫度和操作壓力等，具體參數見表3。

表3 模型邊界條件Table 3 Boundary conditions

3 結果與分析

迭代計算過程收斂良好，通過對原計算結果進行可視化處理，得到了原有設計和優化設計各自爐體內部流場、溫場，以及內外圈硅棒表面溫度分布云圖。

3.1 還原爐內部流場分布

如圖1所示，分別是原有方案和優化方案下還原爐內經過噴嘴的豎直截面上流場分布圖。原有設計下進料氣體經過噴嘴進入還原爐內部后迅速衰減至4 m/s下，整個還原爐上半部氣體流速不到1 m/s，意味著該區域氣體流動較弱，不利于傳質邊界層厚度的降低、TCS的補充和反應尾氣的驅離。優化設計下左側噴嘴上方氣體流速在還原爐下半部分與原有設計相近，而右側噴嘴上方進料氣體直至爐體頂部始終保持較高流速，在硅棒橋接處仍然達到4 m/s，且優化設計爐體上方大部分區域流速在2 m/s以上，和原有設計相比，爐體上方氣體滯留區面積大大減小。

圖1 豎直截面流速分布(a)原有設計, (b)優化設計Fig.1 Temperature distribution in the vertical plane which across the outlet of the reactor(a)original, (b)optimized

圖2 1.8 m高度水平截面流場分布(a)原有設計,(b)優化設計Fig.2 Flow field distribution in 1.8 m horizontal plane(a)original, (b)optimized

還原爐內硅棒橋接附近通常是沉積質量較差的區域，也是優化研究改進的重點，圖2為還原爐內1.8 m高度處水平截面上流速分布圖。對于原有設計，該高度處深藍色區域占比達到52%，也就是超過一半區域氣體流速在1 m/s以下，僅有噴嘴上方及爐還原爐內壁附近氣體流速達到1～2 m/s之間。而如圖3b所示，優化設計下深藍色區域被壓縮到占比不到40%，氣體流速達到1～2 m/s之間的區域占比超過38%，噴嘴上方附近氣體流速最高可達5 m/s以上，優化設計的氣體流動條件明顯改善。

軟件計算得到不同設計下還原爐內硅棒表面氣體流速。原有設計硅棒表面氣體流速為1.18 m/s，而相同邊界條件下，優化設計時硅棒表面氣體流速達到1.35 m/s，較原有設計提高了12.6%。硅棒表面流速的提高有利于帶走硅棒表面熱量，促進硅棒表面溫度分布的均一性，從而有助于更多致密料的沉積。

圖3 豎直截面溫度分布(a)原有設計, (b)優化設計Fig.3 Temperature distribution in the vertical plane(a)original, (b)optimized

圖4 1.8 m高度水平截面溫場分布(a)原有設計, (b)優化設計Fig.4 Temperature field distribution in 1.8 m horizontal plane(a)original, (b)optimized

3.2 還原爐內部溫場分布

圖3反映了不同設計下過對側噴嘴的豎直截面上溫場分布情況。原有設計下硅，棒橋接處附近占據爐體體積約1/3的區域，爐內氣體溫度達到1000 K附近。該區域和爐內氣體流動停滯區十分吻合，也從側面說明爐內流場對爐內溫場有著深刻的影響。且溫度較高時，多晶硅沉積速率會變快，可能會導致該處非致密料的增多。相比之下，優化設計下氣體經左側噴嘴進入爐內后保持高流速上升直至爐頂，這使得硅棒橋街附近爐內溫場分布更加均勻，僅硅棒邊緣等非常小的區域里氣體溫度達到950 K以上。

不同設計下，還原爐內1.8 m高度處水平截面的溫度分布云圖如圖4所示。可以看出，原有設計水平截面上爐體上方氣體溫度比優化設計高50 K左右，這也反映了在原有設計下，低溫的混合進料氣體經噴嘴上行時流速迅速衰減，導致還原爐上半部分混合氣體循環不強，無法及時帶走該截面處熱量，即對該處溫場未帶來明顯影響。

圖5 還原爐中軸線處溫度分布Fig.5 Temperature distribution at the Z axis of reactor

將還原爐中軸線上各點溫度作圖得到圖5。由圖可知，原有設計下爐內溫度隨高度上升至約1.5 m處迅速上升至950 ℃，并保持該溫度至2.5 m高度處。而優化設計在1～2.5 m高度內，溫度保持在約850 ℃附近，即硅棒橋接附近溫度適中，且整個還原爐內溫度波動較小，這就保證了硅棒不同高度處硅棒表面沉積區域溫度相近。

3.3 硅棒表面溫度分布

圖6是不同設計下外圈硅棒表面溫度分布云圖，在硅棒上段及橋接附近區域，硅棒表面溫度可達1400 K以上，而硅棒下半段溫度在1280～1300 K之間，意味著硅棒不同區域之間溫差達到100 K以上，而相同條件下優化設計下硅棒表面溫度大多在1320～1380 K之間，溫度分布更加均勻。

圖7是內圈硅棒表面溫度分布云圖，盡管不同設計下內圈硅棒溫度整體均稍高于外圈硅棒，但是優化設計下內圈硅棒溫度分布仍然呈現上段低于原有設計，下段高于原有設計，即溫度分布更加均勻的特點。

圖6 外圈硅棒表面溫度分布(a)原有設計, (b)優化設計Fig.6 Temperature distribution of outer ring rods(a)original, (b)optimized

圖7 內圈硅棒表面溫度分布 (a)原有設計, (b)優化設計Fig.7 Temperature distribution of inner ring rods(a)original, (b)optimized

圖8反映了不同設計下各組多晶硅棒平均表面溫度。可以看出，相比于原有設計，優化設計下內外圈硅棒之間溫度差別較小，最高與最低之間溫度差值約為25 K，而原有設計最高與最低之間溫度差值則達到47 K，即優化設計能提供不同硅棒組之間的更均勻的溫場。反應溫度的高低直接決定了沉積速率的快慢，當局部沉積區域溫度過高時的時候，該區域晶體硅沉積速度過快，會產生大量表面粗糙的菜花料。不難預期，優化設計將能提供更高比例的致密料。

3.4 實際生產結果對比

模擬計算表明，相同工藝條件下，由于硅棒表面溫度分布均勻性的提高，優化設計比原有設計的非致密料比例降低約23%。圖9為不同設計下開爐時硅棒實物圖，優化設計時硅棒表面更加平滑，尤其是硅棒橋接附近粗糙表面面積有所減少，破碎之后進一步稱重顯示非致密料比例降低25%左右，總產量受益于沉積條件的改善也有了小幅度提升，這和模擬計算結果也是相當符合的。

圖8 9組硅棒平均硅棒表面溫度Fig.8 Average surface temperature of 9 groups of silicon rods

圖9 開爐時硅棒 (a)原有設計, (b)優化設計Fig.9 Actual rods(a)original, (b)optimized

4 結 論

本文針對電子級多晶硅還原爐噴嘴布置提出了優化方案，并利用PolySim軟件分別建立了90 mm硅棒直徑時的還原爐物理模型，進而模擬計算得到爐體內部流場、溫場等具體分布情況，計算結果收斂良好。對兩種設計進行生產試驗驗證發現，模擬計算與生產結果之間的關鍵參數誤差低于4%，精度符合要求。模擬結果表明，優化設計的還原爐與現役還原爐相比，氣體停滯區面積大幅減小，內部形成了更強的氣體循環，平均硅棒表面流速提高約12.6%。受益于更好的氣體流動結構，優化設計下硅棒表面，尤其是橋接附近硅棒表面溫度的均一性有了顯著的提高，一定程度上減少了硅棒橋接附近硅棒表面過熱和氣體溫度過高的現象。進一步實驗驗證表明，在其他工藝條件基本不變的情況下，優化設計下非致密料比例較原有設計降低約25%，達到了預期效果。