不同出氣方式時(shí)多晶硅還原爐內(nèi)的流場和熱場模擬

楊 楠，楊志國，施漢文，詹水華，甘居富

(1.四川永祥股份有限公司，樂山 614800；2.華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065；3.亞洲硅業(yè)(青海)有限公司，西寧 810001；4.江蘇雙良新能源裝備有限公司，江陰 214444)

0 引言

鐘罩式還原爐是采用改良西門子法制備晶體硅的核心設(shè)備，其工作原理是安裝在底盤上的硅芯通過電阻性發(fā)熱，原料氣體SiHCl3與H2在熾熱硅芯表面發(fā)生化學(xué)氣相沉積反應(yīng)生成晶體硅，產(chǎn)品硅最終以棒狀的形態(tài)從還原爐采出。傳統(tǒng)的多晶硅還原爐采用的是底部進(jìn)、出氣的方式，即從底盤上開設(shè)的若干個(gè)進(jìn)氣口將SiHCl3與H2噴入還原爐，經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)后，反應(yīng)尾氣再從底盤上開設(shè)的若干個(gè)出氣口流出。除進(jìn)、出氣口外，底盤還開設(shè)有若干個(gè)電極孔。

但隨著多晶硅還原爐向多對棒、大型化發(fā)展[1-4]，其底盤的開孔數(shù)量越來越多，導(dǎo)致底盤在加工和使用過程中易發(fā)生變形。同時(shí)，底盤下部電極和電纜布置密集，還敷設(shè)有若干根冷卻水管，使底盤下部空間非常緊張，對絕緣和絕熱也提出了更高的要求。

此外，隨著光伏市場越來越偏向于單晶技術(shù)路線[5]，在硅料端也要求制備出更多的多晶硅致密料。然而，傳統(tǒng)的采用下出氣方式的多晶硅還原爐受自身結(jié)構(gòu)的限制，使還原爐上部空間的流場和熱場存在不合理之處，導(dǎo)致硅棒上部的“爆米花”現(xiàn)象嚴(yán)重[6]，嚴(yán)重的還會在氣相分解時(shí)產(chǎn)生大量無定型硅粉，造成原料浪費(fèi)，增加操作難度，影響硅棒外觀和品質(zhì)。因此，本文提出了一種采用上出氣方式的多晶硅還原爐(下文簡稱“上出氣方式還原爐”)，通過Fluent 軟件對其流場和熱場進(jìn)行了模擬計(jì)算，并與傳統(tǒng)的采用下出氣方式的多晶硅還原爐(下文簡稱“下出氣方式還原爐”)進(jìn)行了對比。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

上出氣方式還原爐是將反應(yīng)尾氣的出口設(shè)置在還原爐的頂部。根據(jù)還原爐直徑的大小，頂部可設(shè)置1 個(gè)或多個(gè)出氣口，以保證爐內(nèi)氣相自上而下均勻流動，處于一種類似平推流的狀態(tài)。本文以18 對棒的多晶硅還原爐為基礎(chǔ)，在頂部的橢圓封頭上設(shè)置1 個(gè)出氣口，示意圖如圖1 所示。

圖1 上出氣方式還原爐的示意圖Fig.1 Diagram of reduction furnace with top gas outlet method

考慮到還原爐的電極孔和進(jìn)、出氣口均是以中心軸1/3 周期對稱分布，在建立模型時(shí)，將采用2 種出氣方式的18 對棒多晶硅還原爐均進(jìn)行簡化，以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。還原爐中的硅棒在生長的中、后期階段其角系數(shù)最小且變化不大[7]，硅棒與硅棒之間的輻射最強(qiáng)，因此選擇硅棒高度為

3 m、直徑為150 mm 時(shí)建立穩(wěn)態(tài)模型，并利用Fluent 軟件對還原爐內(nèi)的流場和熱場進(jìn)行模擬計(jì)算。利用四面體網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總量大于80 萬。

1.2 物理模型

湍流方程選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，輻射計(jì)算采用P1 模型[8]。通過Aspen Plus 計(jì)算混合反應(yīng)氣體的密度、粘度和熱容等物性參數(shù)，設(shè)置進(jìn)氣初速度、壓力出口、硅棒發(fā)熱功率和爐壁等邊界條件；且進(jìn)入上出氣方式還原爐和下出氣方式還原爐的反應(yīng)氣體總量、溫度，以及硅棒發(fā)熱功率均相等。

2 結(jié)果與分析

2.1 縱截面的氣相速度分布

上出氣方式和下出氣方式還原爐縱截面(y=0 m)的氣相速度分布情況如圖2 所示。其中，圖2a、圖2b 分別為2 種還原爐內(nèi)的氣相速度全局云圖；由于還原爐噴嘴的局部氣相速度遠(yuǎn)大于還原爐內(nèi)的氣相速度，為了更清晰地比較2 種還原爐中、上部的流場情況，圖2c、圖2d 顯示了還原爐內(nèi)氣相速度為0.1～2.0 m/s 時(shí)的云圖。

圖2 2 種出氣方式還原爐縱截面(y=0 m)的氣相速度分布Fig. 2 Gas velocity distribution in vertical section (y=0 m) of reduction furnace with two gas outlet methods

由圖2 可知，雖然2 種出氣方式還原爐的噴嘴處的氣相速度均在100 m/s 左右，但氣體從噴嘴噴出進(jìn)入還原爐后迅速擴(kuò)散，在升至離底盤高1.5 m 時(shí)其速度開始明顯衰減。從圖2c 和圖2d中可以看出，與下出氣方式還原爐相比，上出氣方式還原爐中、上部的氣相速度明顯較高。

2.2 橫截面的氣相速度矢量

上出氣方式和下出氣方式還原爐從下至上取高度z為1、2、3 m 時(shí)橫截面的氣相速度矢量，如圖3 所示。

圖3 2 種出氣方式還原爐橫截面(z=1,2,3 m)的氣相速度矢量Fig. 3 Gas velocity vector in cross section(z=1,2,3 m) of reduction furnace with two gas outlet methods

根據(jù)z為1、2、3 m 時(shí)橫截面處氣相速度矢量分布可知，上出氣方式還原爐的爐內(nèi)氣相速度最大可達(dá)到11.4 m/s，而下出氣方式還原爐的爐內(nèi)氣相速度最大為9.31 m/s。在z=2 m 時(shí)的橫截面上，上出氣方式還原爐的軸中心仍有較大的氣相速度，為9.5 m/s；而下出氣方式還原爐的軸中心最大氣相速度僅為1.1 m/s，遠(yuǎn)低于上出氣方式還原的。同時(shí)也可看出，上出氣方式還原爐的高氣相速度主要分布在軸中心位置，此現(xiàn)象可以通過改變頂部出氣口的大小或增加出氣口數(shù)量進(jìn)行改善。

2.3 氣相跡線

上出氣方式和下出氣方式還原爐內(nèi)的氣相跡線情況如圖4 所示。

圖4 2 種出氣方式還原爐內(nèi)的氣相跡線情況Fig. 4 State of gas pathline in reduction furnace with two gas outlet methods

由圖4 可知，上出氣方式還原爐內(nèi)，尤其是其上部空間的氣相返混程度低，這樣可以避免頂部的反應(yīng)氣相不能及時(shí)更新，使頂部的原料氣體保持在較高的濃度，硅棒上部的沉積速度得以提升。硅棒上部產(chǎn)生“爆米花”現(xiàn)象是因?yàn)楣璋舯砻鏈囟群蜌庀鄿囟染^高、沉積過快、有較多的硅微粒生成導(dǎo)致的[9]。“爆米花”現(xiàn)象的發(fā)生還受流場的影響，若硅棒橫梁表面能被一定流速的氣體沖刷，而非處于一種滯頓狀態(tài)，則可以較好地解決“爆米花”問題。另外，氣相溫度過高時(shí)，SiHCl3會在距離硅棒較遠(yuǎn)的熱區(qū)域發(fā)生分解，析出的固體硅不能立即粘結(jié)到熾熱的硅棒表面變成晶粒，而會被氣流帶到低溫區(qū)形成無定型硅粉。

2.4 縱截面的氣相溫度分布

上出氣方式和下出氣方式還原爐縱截面的氣相溫度分布如圖5 所示。其中，圖5a、圖5b 為氣相溫度為400～1280 K 時(shí)2 種出氣方式還原爐縱截面的氣相溫度分布情況；為了研究更窄的氣相溫度分布情況，圖5c、圖5d 顯示了氣相溫度為900～1280 K 時(shí)2 種出氣方式還原爐縱截面的氣相溫度分布情況。

圖5 2 種出氣方式還原爐縱截面(y=0 m)的氣相溫度分布Fig. 5 Gas temperature distribution in vertical section (y=0 m)of reduction furnace with two gas outlet methods

由圖5 可知，由于上出氣方式還原爐的底盤中心位置為進(jìn)氣孔，使相對低溫的氣體能將內(nèi)圈硅棒中央的溫度降低。因此，該還原爐內(nèi)中、下部硅棒的外觀形貌要比下出氣方式還原爐內(nèi)相同硅棒位置的要好。

2.5 橫截面的氣相溫度分布

圖6 為上出氣方式和下出氣方式還原爐橫截面(z=1, 2, 3 m)的氣相溫度分布。

圖6 2 種出氣方式還原爐橫截面(z=1,2,3m)的氣相溫度分布Fig.6 Gas temperature distribution in cross section (z=1,2,3 m)of reduction furnace with two gas outlet methods

由圖6 可知，上出氣方式還原爐在z=3 m 時(shí)的橫截面處，硅棒之間的氣相溫度≥1000 K 的區(qū)域明顯小于下出氣方式還原爐，由此可以推測出，上出氣方式還原爐中、上部氣相發(fā)生熱分解時(shí)產(chǎn)生無定型硅粉的機(jī)率會遠(yuǎn)低于下出氣方式還原爐。

2.6 硅棒表面溫度分布

上出氣方式和下出氣方式還原爐內(nèi)硅棒表面溫度情況如圖7 所示，為更好地顯示硅棒表面溫度，該圖僅顯示了2/3 的硅棒模型。其中，圖7a、圖7b 分別為2 種出氣方式還原爐內(nèi)硅棒表面溫度為1200～1280 K 時(shí)的情況；圖7c、圖7d為2 種出氣方式還原爐內(nèi)硅棒表面溫度為1270～1280 K 時(shí)的情況。

由于存在進(jìn)氣氣流的沖刷擾動及整體氣相溫度差，硅棒表面的溫度也存在差異。從圖7 中可以看出，上出氣方式還原爐內(nèi)硅棒表面溫度在1270～1280 K 范圍內(nèi)的硅棒面積要小于下出氣方式還原爐內(nèi)的。

圖7 2 種出氣方式還原爐內(nèi)硅棒的表面溫度分布Fig. 7 Surface temperature distribution of ploysilicon rod in reduction furnace with two gas outlet methods

2.7 軸向中心線的溫度分布

由于硅棒之間相互輻射，使得還原爐中心位置的熱量不能及時(shí)散射出去，下出氣方式還原爐更甚。圖8 為2 種出氣方式還原爐內(nèi)自下而上軸向中心線高度為0～3 m 時(shí)的溫度變化曲線。

圖8 2 種出氣方式還原爐內(nèi)自下而上軸向中心線的溫度變化曲線Fig. 8 Temperature change curve of axial centerline from bottom to top in reduction furnace with two gas outlet methods

由圖8 可知，上出氣方式還原爐的中心溫度明顯低于下出氣方式還原爐，而且軸向中心線高度為3 m 時(shí)，前者的氣相溫度也較后者約低20 K。

3 結(jié)論

本文提出了一種采用上出氣方式的多晶硅還原爐，并利用Fluent 軟件將其與傳統(tǒng)的采用下出氣方式的多晶硅還原爐的流場和熱場進(jìn)行了模擬計(jì)算和對比。結(jié)果顯示，上出氣方式還原爐可以改善還原爐頂部封頭區(qū)域的流場，能使硅棒上部和橫梁表面受到一定流速的氣體沖刷擾動，減輕甚至避免“爆米花”現(xiàn)象的發(fā)生；同時(shí)也能解決下出氣方式還原爐的上部空間溫度過高和流速偏小的問題，削弱無定型硅粉的產(chǎn)生條件。但需要說明的是，上出氣方式還原爐內(nèi)物料間傳熱、傳質(zhì)發(fā)生了重要變化，有效參與反應(yīng)的物料份額、多晶硅質(zhì)量沉積速度和多晶硅生長狀態(tài)等均與下出氣方式還原爐存在很大差異，這些問題有待在后續(xù)實(shí)踐中進(jìn)行驗(yàn)證。