西门子CVD还原炉内硅棒生长环境的数值模拟

考虑包括热辐射在内的质量传递、动量传递、热量传递三维模型,利用流体力学计算软件,对18对棒西门子多晶硅CVD还原炉实际情况进行数值模拟.考察了两种进气方式下还原炉内的流场和温度场分布.计算结果表明,为了实现硅棒均匀沉积,与底盘上分散进气、中心集中出气的还原炉结构相比,中心集中进气、中环与外环之间分散出气的流场及温度场分布更为合理.后者可能有效避免气体在进出口间的“短路”现象,又使炉内各处温度分布更为均匀,减小硅棒不均匀生长现象.模拟结果还表明,采用典型工况的数据,还原炉中总能量损失占能量输入的78.9;,辐射热损失占总能量损失的70.9;,产品单位质量能耗为72.8 kWh/·kg-1,与很多其他研究结果及实际相一致.     

基于PolySim电子级多晶硅还原炉三维数值模拟

利用PolySim软件建立了国内电子级多晶硅9对棒现役还原炉的三维模型,对还原炉内部的流动、传热进行了数值模拟,得到还原炉内部流场、温场以及硅棒表面温度的分布情况,指出硅棒桥接附近气体流速较小、气体温度及硅棒表面温度过高是该区域沉积不均匀的主要原因.和实际生产结果对比表明,模拟计算数据的误差不超过5;.     

基于数值模拟电子级多晶硅还原 炉流动结构改进研究

针对现役电子级多晶硅还原炉炉内气体循环不强、硅棒桥接处沉积质量较差的问题,提出了调整喷嘴直径的优化方案,并利用建模工具建立了原有设计和优化设计的物理模型,对炉体内部的混合气体流动、硅芯电阻加热、辐射传热等进行了数值模拟计算,计算结果收敛,经后处理得到不同设计下炉体内部流速、温度及硅棒表面温度分布云图.实验表明,在其他工艺条件不变的情况下,优化设计可以提供比原有设计更高的沉积速率和致密料比例.     

西门子反应器中硅棒热电行为数值模拟与分析

改良西门子法制备多晶硅过程中,化学气相沉积所需能量全部由电流加热硅棒提供.本文考虑多晶硅还原炉中辐射和对流热量传递形式,耦合频率控制的焦耳电加热方程,建立了12对棒多晶硅还原炉热场-电磁场耦合模型,并通过工业数据验证了其模拟结果的合理性.分析了硅棒半径、交流电频率以及反应器壁发射率对西门子还原炉内、外硅棒内部温度及电流密度分布的影响.结果表明:当硅棒半径增长到所用交流电频率引起的趋肤深度时,交流电趋肤效应开始显著影响硅棒内部温度梯度;交流电频率的增大,硅棒内部温度梯度逐渐减小;反应器壁发射率增加,低频时硅棒内部温差增大,而高频时发射率对硅棒内部温度分布影响不再显著.     

西门子CVD还原炉辐射换热数值模拟

本文考虑包括热辐射在内的质量传递、动量传递、能量传递三维模型,利用流体力学计算软件,对12对棒西门子多晶硅CVD还原炉硅沉积过程的传热情况进行数值模拟.应用传热模型计算了实际还原过程的总能耗,并与实际生产运行测量值进行比较,相对误差为7.1;,表明传热模型准确可靠.基于DO离散坐标辐射模型,详细分析了硅棒与反应器壁间的辐射换热情况,探讨了硅棒生长过程中内、外环硅棒辐射能的变化趋势以及不同器壁发射率对还原炉内辐射能的影响.结果表明:辐射换热是硅沉积过程最主要的热量传递形式;外环硅棒的辐射能远大于内环硅棒的辐射能,并且外环硅棒的辐射能随硅棒直径的增大而增大;硅棒辐射能随着反应器壁材料发射率的增大而增大,并采用典型工况数据,计算了不同反应器壁材料发射率条件下的产品单位质量理论能耗.     

钟罩式硅烷反应器内流动与传热的数值模拟

针对硅烷热分解生产多晶硅的过程,建立了基于动量、质量、能量同时传递并耦合硅烷热分解反应的硅烷-氢气化学气相沉积模型,采用计算流体力学方法分析了传统钟罩式硅烷反应器内的流场、温度场和浓度场.针对普通反应器内存在的死区以及沉积速率不均匀的问题,提出了新型的带出气筒的反应器结构,并对结构进行了数值模拟.计算结果表明,与普通钟罩式硅烷反应器相比,新型反应器的流场、温度场以及硅烷浓度分布更加合理,有效减小了反应器内的漩涡,缓解了气体在进出口间的“短路”现象,使硅棒表面的沉积速率更加均匀.     

保温层结构对感应加热制备太阳能级多晶硅影响的数值模拟研究

定向凝固技术是制备太阳能级多晶硅的主要制备技术.在该技术路线之中,优化多晶铸锭炉的热场结构和控制硅熔体的对流形态是获得高品质多晶硅的有效途径之一.本文设计了三种热场保温层,通过分析不同保温层下坩埚内硅熔体的热场、流场、固液界面、氧含量等的变化,确定了优化的保温层结构.研究发现,在传统固化碳毡保温层中引入石墨层可以使多晶炉内形成两个“热源”,提高多晶炉的热效率,使其能耗降低了38.5;;在洛伦兹力的作用下硅熔体中仅存在一个上下贯通的涡流,有利于硅中杂质原子的挥发.同时,添加石墨保温层后固液界面的形状由“W”状转变为凹状,其上的氧含量有所降低,并且V/Gn值在整个固液界面范围内均大于临界值,可以有效抑制氧沉淀.可见,在感应加热多晶硅生长系统中,采用固化碳毡+石墨保温层时,有利于降低多晶硅的生产成本并提高多晶硅的品质.     

多晶硅化学气相沉积反应的三维数值模拟

建立了多晶硅化学气相沉积反应的三维模型,同时考虑质量、能量和动量传递,利用CFD软件对炉内的流动、传热和化学反应过程进行了数值模拟,并分析了硅沉积速率、SiHC13转化率、硅产率以及单位能耗随H2摩尔分数的变化规律.结果表明:计算结果与文献数据吻合较好;随着硅棒高度的增加,硅沉积速率不断增大;最佳的进气H2摩尔分数范围为0.8 ～0.85.     

石墨坩埚厚度对感应加热制备太阳能级多晶硅影响的数值模拟研究

定向凝固法制备的多晶硅是目前主要的光伏原材料,制备过程中热场结构和硅熔体对流形态对于生长高质量的多晶硅极为重要,本文利用专业晶体生长软件CGSim对制备太阳能级多晶硅用真空感应铸锭炉中的石墨坩埚进行改进并进行了数值模拟,分析了不同石墨坩埚厚度的变化对热场、流场、固液界面、硅晶体应力场以及和V/G值的影响.结果表明,当石墨坩埚厚度为20 mm,可获得良好的对流形态、平坦的固液界面、合理的V/G值等,有利于节约多晶硅的生产成本并提高多晶硅的品质,为生产实践中工艺方案优化及缺陷分析等提供重要的理论依据.     

热屏下降式单晶炉设计与研究

光伏发电以绿色、可再生、能源质量高和不受资源分布地域的限制等优点被广泛使用,单晶硅又以低衰减率和高转换效率等优点渐渐超过了多晶硅光伏电池在市场中的份额,但成本问题和产能问题一直束缚着单晶硅太阳能产业的发展。本文提出了一种在晶体生长过程中随硅液面下降而下降的直拉单晶炉热屏结构,来解决在拉晶过程中坩埚上升所造成的拉晶速度和稳定性降低以及拉晶能耗增加的问题,并以CL120-97单晶炉热场为研究对象,利用有限元仿真对单晶炉优化前后晶体和熔体的热场以及氩气流场进行分析。分析仿真结果表明,优化后单晶炉不仅可以提高单晶炉拉晶的速度和质量,而且还能有效降低单晶炉拉晶的能耗。     

Si3N4陶瓷轴承内圈NCD膜制备中的热流耦合分析

本文设计了一套用于HFCVD系统中轴承内圈NCD涂层制备的电极装置,同时在热交换过程的分析基础上对该系统进行了热流耦合分析.对进气参数进行优化后,衬底温度场及气体流场分布均匀.在数值分析的基础上,在氮化硅陶瓷内圈上成功制备了NCD膜.     

HFCVD系统中衬底温度场及气相空间场的数值分析

探讨了典型气氛中热丝辐射、气体热传导与对流、化学反应生热等因素对衬底温度的影响,建立了三维热丝辐射和二维热流耦合有限元模型,研究了各工艺参数对衬底温度场及气相空间场的影响.结果表明H2占主导地位的气氛中衬底表面的氢原子重组放热对衬底温度有较大影响,氩气气氛中原子重组放热对衬底温度影响很小;热丝温度对衬底温度的影响最大;进气口到衬底的距离及进气口气体流速对衬底附近的流场影响最大,适当提高进气口到衬底的距离有助于提高衬底附近流场均匀性,增大进气速度有助于突破热障提高衬底表面流速,但同时加剧了衬底附近流场的不均匀性.     

定向凝固多晶硅铸锭炉石英坩埚的改进与热场优化

针对定向凝固多晶硅铸锭炉内温场的分布特点,利用COMSOL 5.0模拟软件优化设计了定向凝固多晶硅铸锭炉内部坩埚形状,并对优化后铸锭炉内的温场分布进行了详细分析.结果表明:将坩埚底面由平底结构改进为凸底结构,可优化铸锭坩埚内的温场分布,使长晶界面的等温线趋于水平分布,进而可有效解决中心区域结晶过早、边角区域结晶过慢和边角区热诱导缺陷、杂质密度大等铸锭过程中存在的基本问题.     

氟化钙单晶炉温场的计算机模拟及改进

对氟化钙晶体生长炉的顶部保温、加热器和下保温装置进行了改进研究.结合数值模拟,对改进前后晶体的轴向温度梯度、径向温度梯度和固液界面附近温度分布进行了对比分析.模拟结果表明,改进了顶部保温后增加了晶体炉内的辐射传热,有效降低了温度梯度,减小了晶体内热应力从而避免了晶体开裂;对加热器和底部保温进行改进后,减少了坩埚底部的热损失,相同温度时降低了加热功率.     

SiC晶体PVT生长系统的流体力学模型及其有限元分析

本文根据SiC晶体PVT生长炉的实际提出了生长系统温度场计算的流体力学模型,采用有限元法分析了生长腔内的热传导、辐射和对流对生长腔内和生长晶体中温度空间分布的影响.通过对生长腔内及生长晶体中温度瞬态和稳态分布的分析,得出在加热的初始阶段腔内气体对流对坩埚内的温度分布有较大影响,在系统热平衡后辐射对腔内温度分布起决定作用的结论.     

旋转磁场对空间浮区内流场及浓度场的影响

采用全浮区模型数值研究了旋转磁场作用下熔区内热毛细对流流动特性,分析了磁场强度对流场及浓度场的影响.研究发现,无磁场时,熔体内杂质浓度场和流场呈现三涡胞对称振荡特征;温度场主要由扩散作用决定,呈对称分布.旋转磁场作用下,Ma数基本保持不变.当磁场强度B0≤1 mT时,熔体内杂质浓度场和流场与无磁场时结构类似,但旋转磁场的搅拌作用使得熔体内周期性振荡提前出现,且当旋转磁场产生的洛伦兹力相对较大时,表面张力产生的三维振荡对流得到很好地抑制.B0=5 mT时,周向波动被完全抑制,熔区内流场和浓度场呈二维轴对称分布.旋转磁场对熔体流动产生的轴向抑制作用和周向搅拌作用,都有助于熔体流动的稳定性、浓度分布以及温度分布的均匀性,从而有利于高质量晶体的生长.     

旋转对Cz法硅晶生长过程中热输运和熔体流动影响的数值模拟

建立了一个120 kg单晶炉的二维轴对称全局模型,分别对无旋转、加入晶体旋转、加入坩埚旋转、同时加入晶体旋转和坩埚旋转的四种工况展开了数值模拟研究.得到了晶体旋转及坩埚旋转对晶体生长过程的拉晶功率、炉内温度分布和熔体流动的影响;得到了不同晶体长度下拉晶炉内的温度分布以及熔体流动的变化规律.结果显示,加入晶体旋转对晶体生长过程的拉晶功率、温度分布和熔体流动的影响小于坩埚旋转的影响;随着晶体长度的增加,晶体旋转及坩埚旋转对温度分布和熔体流动的影响不断减小.因此在单晶炉设计和优化过程中应考虑整个晶体生长过程.     

用升华法生长SiC晶体的一种新颖的坩埚设计

本文提出一个用PVT法生长SiC晶体的坩埚的新颖设计.分析了生长腔中有无锥形档板对腔内及籽晶温度场的影响;比较了档板取不同厚度时SiC粉源升华面和籽晶表面的温度分布.得出了在腔内增设档板后晶体生长面的温度更趋均匀的结论;获取了随着档板厚度的增加,腔内的轴向温度梯度随之增加,但同时晶体生长面的温度也会降低的设计原则.根据计算结果,选取档板厚度等于2mm为优化参数.     

多晶硅铸锭内嵌杂质引发热应力的数值分析

对制造光伏电池用多晶硅锭中的主要硬质夹杂SiC、Si3N4引起的热致应力进行数值分析.首先用晶体生长软件CGsim模拟定向凝固,获得铸锭凝固完成时温度场及夹杂分布,再基于此用有限元分析软件ANSYS分别分析这两种嵌于硅基体内的夹杂在硅基体内引起的热应力.夹杂颗粒模型形状设计依据其实际形状特征.由于SiC与硅均为立方结构,SiC夹杂影响可处理为各向同性;对于六方结构的Si3N4夹杂,通过对弹性矩阵的坐标转换考虑了其力学性能的各项异性.结果表明,多晶硅锭由1685 K降至室温的过程中,夹杂引起的最大热致应力SiC颗粒约为16 MPa,Si3N4颗粒在13 ～21 MPa之间,SiC团簇约为21 MPa,多颗粒在18～21 MPa之间.基于此,计算出多晶硅锭内最小失稳临界裂纹尺寸在286 ～ 676 μm之间,小于夹杂体的尺寸,因此在铸锭冷却过程中夹杂引起的裂纹发生可能性较大.     

非均匀热场条件下多晶硅定向凝固研究

设计一种辐射加热装置环状布置的多晶硅定向凝固设备,通过构建非均匀热场,使硅熔体侧壁区域温度高于中央区域,在熔体密度差的作用力下,液相自然对流强度加剧,使固液界面富集的杂质加速汇聚至熔体表面,提高杂质提纯效率,并在满足工艺要求的同时达到节能目的.进行数学建模和数值模拟研究来阐述该热场的设计原理,并通过试验验证.试验表明,环状加热方式使晶粒生长方向略微外倾,相对于传统加热方式,其能耗更低、并提高了除P、Al效率.