多晶硅化学气相沉积数值模拟的研究进展.pdf

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1、第42卷第9期化工技术与开发V01．42No．92013年9月Technology&DevelopmentofChemicalIndustrySep．2013多晶硅化学气相沉积数值模拟的研究进展薛连伟(山西潞安高纯硅业科技公司，山西长治046000)摘要：介绍了多晶硅气相沉积反应的几何模型和数学模型。回顾了多晶硅沉积反应机理的研究成果。重综述了近几年国内外还原炉I~SiHC13-H系统三维过程数值模拟的研究进展，并对其评述。讨论了化学气相沉积数值模拟的研究现状和存在的问题，展望了今后的发展方向。关键词：多晶硅

2、；化学气相沉积；数值模拟中图分类号：TQ018文献标识：A改良西门子法是生产多晶硅最主要的生产工艺法，数值模拟方法具有费用低、速度快、研究周期相对之一，其生产能力占世界多晶硅生产能力的78％。较短、重复陛好、易于修改等优点，还可以观察不同操改良西门子法制备多晶硅的核心技术是化学气相沉作参数对求解问题的影响，弥补了理论分析和实验测积生长硅棒的技术，该技术成熟与否将直接影响多量法的不足。利用模拟软件对还原炉内部的复杂流晶硅的产量、质量和综合能耗。目前，该技术被少数动、物料分布、温度分布等获得完整的数据，然后将其的

3、几个发达国家垄断，我国已经投产或者达产的多三维模型在计算机屏幕上形象地再现，为设计人员和晶硅生产企业大部分都采用从德国或俄罗斯引进的操作人员改进设计和控制提供理论依据，同时也可节技术，各生产企业根据实际生产情况，对进口的设省大量的人力和物力，缩短实验研究时间。备或工艺进行局部改进，在一定程度缓和了对国外1数值模拟的模型技术的过分依赖，也加深对该技术的理解，但核心的技术仍未被掌握。众所周知，多晶硅生产工艺复杂，1．1几何模型原料或中间产物化学性质不稳定，都是剧毒、易爆炸查阅文献发现，多晶硅的物理模型主要有两种，

4、一物质，单纯靠实验方法去优化工艺参数，第一成本太种是假设西门子反应器中的硅芯之间的边界是绝热密大，需外购三氯氢硅等原料和设备；第二，危险性大，闭的，硅芯的沉积反应都是对称的，选用一中空的圆柱一般的实验室难以满足苛刻的安全条件；第三，进行体作为反应的几何模型，内柱面定义为硅芯，作为气象化学气相沉积实验需要配备尾气回收系统、储罐等，反应的表面，外圆柱面作为反应的边界，混合气体由下实验设备多，系统复杂。面的环面进^，尾气由上环面排除，如图1圜。一种是三化学气相沉积生长硅棒的原理是高纯三氯氢硅氯氢硅和氢气的混合气由气

5、体进口进入反应器，假设和氢气进入还原炉在高纯硅芯表面发生的气化学沉多晶硅的气相沉积发生在衬底上，如图。目前，国内积反应(CVD)。还原炉内化学反应极其复杂，沉积大多数数值模拟，也基于以上两种模型。速率与气体流量、配比、炉内压力、流体力学特性有关【1】。还原炉内涉及极其复杂的流动、物料输送、热对流及热辐射模拟分析，因此对计算模型的网格离散要求极高。随着计算机硬件技术的提高，以及强化传热技术和计算流体动力学的发展，用数值模拟方法来研究还原炉内SinCh-H系统中物质分布、热量传递现象和多图1三维硅沉积集合模型的俯

6、视图和侧视图Fig．1-13DCVDgeometrytopandsideview晶硅沉积特性的技术也越来越广泛。相对于试验方收稿日期：2013-07-0130化工技术与开发第42卷ValenteGianluca等利用较详尽的化学反应机理模拟了一维、二维假设条件下硅的沉积速率[121oSUMingDer等认为，在三氯氢硅和氢气系中三氯氢硅首先发生热分解生成SiC1和HCI(G1)，而不直接生成固体硅[13]0Holt利用蒙特卡罗法确定硅沉积的临界参数[14]o很多文献从热力学平衡角度讨论了si—H—cl体系的反

7、应规律，SialE等讨论了高温热力学平衡状态下三氯氢硅的分解和硅的沉积速率n；李国图2硅沉积反应器模型栋等基于Gibbs自由能最小原理对西门子工艺的化Figl-2Therectormodelofcrystallinesilicondeposition学反应平衡进行了研究和分析，提出优化的操作工1．2多晶硅沉积数学模型艺条件[161。要模拟还原炉内化学气相沉积反应，需耦合三3过程模拟维模型的内部流动、传热、组分传递及复杂的化学反2007年，GonzalodelCoso模拟了采用高频电流应。由于流体湍流运动机理和

8、规律的复杂性，一般源加热硅棒的方法，认为提高电源频率有利于增强选用工程上应用最广泛的k-e模型。采用模型来硅棒表面的趋肤效应，不仅可以很好地改进西门子求解湍流对流换热问题时[41，控制方程包括续性方反应器中硅棒表面温度的均匀性，而且，由于内部加程、动量方程、能量方程和k，￡方程和粘性系数方热量降低，可以在保持硅棒表面温度的情况下减少程。反应模型大部分采用涡耗散概念fEDC)模型f5】。对硅棒的电能输