基于數(shù)值模擬電子級(jí)多晶硅還原爐流動(dòng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(fā)有限責(zé)任公司光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)分公司，西寧 810000; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150000)

1 引 言

近些年，電子信息產(chǎn)業(yè)，特別是高科技領(lǐng)域?qū)﹄娮蛹?jí)高純多晶硅的需求量越來越大。改良西門子法是生產(chǎn)多晶硅的主流技術(shù)，占比超過78%[1-2]，其主要核心生產(chǎn)設(shè)備是西門子CVD還原爐[3]。在爐體內(nèi)部，氣體流動(dòng)主要是強(qiáng)制對流，混合進(jìn)料氣體經(jīng)過多個(gè)噴嘴噴射到還原爐內(nèi)部，停留一段時(shí)間后夾帶著反應(yīng)尾氣的混合氣體排出。除了補(bǔ)充化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的反應(yīng)物和帶走反應(yīng)尾氣，還原爐內(nèi)混合氣體的流動(dòng)還深刻的影響著還原爐內(nèi)，特別是硅棒表面的溫度分布[4]。因此，通過改變沉積區(qū)域傳質(zhì)邊界層厚度和沉積區(qū)域溫度分布，還原爐內(nèi)氣體流動(dòng)結(jié)構(gòu)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(nèi)氣體流動(dòng)發(fā)揮著至關(guān)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(xiàn)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(nèi)徑的圓環(huán)上，其噴嘴直徑均相同(下文稱原有設(shè)計(jì))。但是該底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，容易造成爐內(nèi)氣體流動(dòng)不暢，底部和頂部存在較多的氣體停滯區(qū)，致使硅芯表面溫度分布不均，直接導(dǎo)致每爐次多晶硅中高品質(zhì)電子級(jí)多晶硅的比重和沉積速率較低，產(chǎn)品單位能耗非常高。

通過對不同位置噴嘴的直徑進(jìn)行調(diào)整，實(shí)驗(yàn)提出了新的底盤設(shè)計(jì)(下文稱優(yōu)化設(shè)計(jì))。實(shí)驗(yàn)采用PolySim軟件對國內(nèi)電子級(jí)多晶硅生產(chǎn)所用的9對棒還原爐原有設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)分別進(jìn)行了建模，對兩種設(shè)計(jì)還原爐內(nèi)流場和溫場情況進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明改進(jìn)設(shè)計(jì)能提供更好的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，也驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)有著更加優(yōu)異的表現(xiàn)。

2 實(shí) 驗(yàn)

原有設(shè)計(jì)的6個(gè)進(jìn)氣噴嘴均分在距底盤中心一定距離的圓環(huán)上，直徑均為0.009 m。和原有設(shè)計(jì)相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)將直徑的調(diào)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(shù)見表1。

表1 不同設(shè)計(jì)還原爐幾何參數(shù)Table 1 Geometrical dimensions of different reactors

模擬計(jì)算前通過PolySim軟件網(wǎng)格生成器模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定單元大小為0.01 m，過渡因子為1.4。完成3維網(wǎng)格建立后的網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)見表2。原有設(shè)計(jì)網(wǎng)格單元數(shù)目為6854923，優(yōu)化設(shè)計(jì)網(wǎng)格單元數(shù)目達(dá)到6912582，網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。

表2 網(wǎng)格模型質(zhì)量參數(shù)Table 2 Parameters of the grid model quality

硅棒直徑生長到90 mm時(shí)對應(yīng)硅棒沉積過程的中后期，對考察爐內(nèi)流場、溫場結(jié)構(gòu)具有重要意義。實(shí)驗(yàn)對該直徑下原有設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)還原爐分別進(jìn)行建模。邊界條件參數(shù)包括該生長時(shí)刻下SiHCl3(TCS)、H2進(jìn)料量、硅芯加熱電流、硅棒發(fā)射率、爐壁溫度和操作壓力等，具體參數(shù)見表3。

表3 模型邊界條件Table 3 Boundary conditions

3 結(jié)果與分析

迭代計(jì)算過程收斂良好，通過對原計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理，得到了原有設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)各自爐體內(nèi)部流場、溫場，以及內(nèi)外圈硅棒表面溫度分布云圖。

3.1 還原爐內(nèi)部流場分布

如圖1所示，分別是原有方案和優(yōu)化方案下還原爐內(nèi)經(jīng)過噴嘴的豎直截面上流場分布圖。原有設(shè)計(jì)下進(jìn)料氣體經(jīng)過噴嘴進(jìn)入還原爐內(nèi)部后迅速衰減至4 m/s下，整個(gè)還原爐上半部氣體流速不到1 m/s，意味著該區(qū)域氣體流動(dòng)較弱，不利于傳質(zhì)邊界層厚度的降低、TCS的補(bǔ)充和反應(yīng)尾氣的驅(qū)離。優(yōu)化設(shè)計(jì)下左側(cè)噴嘴上方氣體流速在還原爐下半部分與原有設(shè)計(jì)相近，而右側(cè)噴嘴上方進(jìn)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(dá)到4 m/s，且優(yōu)化設(shè)計(jì)爐體上方大部分區(qū)域流速在2 m/s以上，和原有設(shè)計(jì)相比，爐體上方氣體滯留區(qū)面積大大減小。

圖1 豎直截面流速分布(a)原有設(shè)計(jì), (b)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì),(b)優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.2 Flow field distribution in 1.8 m horizontal plane(a)original, (b)optimized

還原爐內(nèi)硅棒橋接附近通常是沉積質(zhì)量較差的區(qū)域，也是優(yōu)化研究改進(jìn)的重點(diǎn)，圖2為還原爐內(nèi)1.8 m高度處水平截面上流速分布圖。對于原有設(shè)計(jì)，該高度處深藍(lán)色區(qū)域占比達(dá)到52%，也就是超過一半?yún)^(qū)域氣體流速在1 m/s以下，僅有噴嘴上方及爐還原爐內(nèi)壁附近氣體流速達(dá)到1～2 m/s之間。而如圖3b所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)下深藍(lán)色區(qū)域被壓縮到占比不到40%，氣體流速達(dá)到1～2 m/s之間的區(qū)域占比超過38%，噴嘴上方附近氣體流速最高可達(dá)5 m/s以上，優(yōu)化設(shè)計(jì)的氣體流動(dòng)條件明顯改善。

軟件計(jì)算得到不同設(shè)計(jì)下還原爐內(nèi)硅棒表面氣體流速。原有設(shè)計(jì)硅棒表面氣體流速為1.18 m/s，而相同邊界條件下，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)硅棒表面氣體流速達(dá)到1.35 m/s，較原有設(shè)計(jì)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(jìn)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(shè)計(jì), (b)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì), (b)優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.4 Temperature field distribution in 1.8 m horizontal plane(a)original, (b)optimized

3.2 還原爐內(nèi)部溫場分布

圖3反映了不同設(shè)計(jì)下過對側(cè)噴嘴的豎直截面上溫場分布情況。原有設(shè)計(jì)下硅，棒橋接處附近占據(jù)爐體體積約1/3的區(qū)域，爐內(nèi)氣體溫度達(dá)到1000 K附近。該區(qū)域和爐內(nèi)氣體流動(dòng)停滯區(qū)十分吻合，也從側(cè)面說明爐內(nèi)流場對爐內(nèi)溫場有著深刻的影響。且溫度較高時(shí)，多晶硅沉積速率會(huì)變快，可能會(huì)導(dǎo)致該處非致密料的增多。相比之下，優(yōu)化設(shè)計(jì)下氣體經(jīng)左側(cè)噴嘴進(jìn)入爐內(nèi)后保持高流速上升直至爐頂，這使得硅棒橋街附近爐內(nèi)溫場分布更加均勻，僅硅棒邊緣等非常小的區(qū)域里氣體溫度達(dá)到950 K以上。

不同設(shè)計(jì)下，還原爐內(nèi)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(shè)計(jì)水平截面上爐體上方氣體溫度比優(yōu)化設(shè)計(jì)高50 K左右，這也反映了在原有設(shè)計(jì)下，低溫的混合進(jìn)料氣體經(jīng)噴嘴上行時(shí)流速迅速衰減，導(dǎo)致還原爐上半部分混合氣體循環(huán)不強(qiáng)，無法及時(shí)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(diǎn)溫度作圖得到圖5。由圖可知，原有設(shè)計(jì)下爐內(nèi)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(yōu)化設(shè)計(jì)在1～2.5 m高度內(nèi)，溫度保持在約850 ℃附近，即硅棒橋接附近溫度適中，且整個(gè)還原爐內(nèi)溫度波動(dòng)較小，這就保證了硅棒不同高度處硅棒表面沉積區(qū)域溫度相近。

3.3 硅棒表面溫度分布

圖6是不同設(shè)計(jì)下外圈硅棒表面溫度分布云圖，在硅棒上段及橋接附近區(qū)域，硅棒表面溫度可達(dá)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(qū)域之間溫差達(dá)到100 K以上，而相同條件下優(yōu)化設(shè)計(jì)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(nèi)圈硅棒表面溫度分布云圖，盡管不同設(shè)計(jì)下內(nèi)圈硅棒溫度整體均稍高于外圈硅棒，但是優(yōu)化設(shè)計(jì)下內(nèi)圈硅棒溫度分布仍然呈現(xiàn)上段低于原有設(shè)計(jì)，下段高于原有設(shè)計(jì)，即溫度分布更加均勻的特點(diǎn)。

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

圖7 內(nèi)圈硅棒表面溫度分布 (a)原有設(shè)計(jì), (b)優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.7 Temperature distribution of inner ring rods(a)original, (b)optimized

圖8反映了不同設(shè)計(jì)下各組多晶硅棒平均表面溫度。可以看出，相比于原有設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)下內(nèi)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(shè)計(jì)最高與最低之間溫度差值則達(dá)到47 K，即優(yōu)化設(shè)計(jì)能提供不同硅棒組之間的更均勻的溫場。反應(yīng)溫度的高低直接決定了沉積速率的快慢，當(dāng)局部沉積區(qū)域溫度過高時(shí)的時(shí)候，該區(qū)域晶體硅沉積速度過快，會(huì)產(chǎn)生大量表面粗糙的菜花料。不難預(yù)期，優(yōu)化設(shè)計(jì)將能提供更高比例的致密料。

3.4 實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果對比

模擬計(jì)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(yōu)化設(shè)計(jì)比原有設(shè)計(jì)的非致密料比例降低約23%。圖9為不同設(shè)計(jì)下開爐時(shí)硅棒實(shí)物圖，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)一步稱重顯示非致密料比例降低25%左右，總產(chǎn)量受益于沉積條件的改善也有了小幅度提升，這和模擬計(jì)算結(jié)果也是相當(dāng)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(shí)硅棒 (a)原有設(shè)計(jì), (b)優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.9 Actual rods(a)original, (b)optimized

4 結(jié) 論

本文針對電子級(jí)多晶硅還原爐噴嘴布置提出了優(yōu)化方案，并利用PolySim軟件分別建立了90 mm硅棒直徑時(shí)的還原爐物理模型，進(jìn)而模擬計(jì)算得到爐體內(nèi)部流場、溫場等具體分布情況，計(jì)算結(jié)果收斂良好。對兩種設(shè)計(jì)進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，模擬計(jì)算與生產(chǎn)結(jié)果之間的關(guān)鍵參數(shù)誤差低于4%，精度符合要求。模擬結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)的還原爐與現(xiàn)役還原爐相比，氣體停滯區(qū)面積大幅減小，內(nèi)部形成了更強(qiáng)的氣體循環(huán)，平均硅棒表面流速提高約12.6%。受益于更好的氣體流動(dòng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(xiàn)象。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，在其他工藝條件基本不變的情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)下非致密料比例較原有設(shè)計(jì)降低約25%，達(dá)到了預(yù)期效果。