不同出氣方式時多晶硅還原爐內(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、出氣的方式，即從底盤上開設(shè)的若干個進氣口將SiHCl3與H2噴入還原爐，經(jīng)過一系列化學反應(yīng)后，反應(yīng)尾氣再從底盤上開設(shè)的若干個出氣口流出。除進、出氣口外，底盤還開設(shè)有若干個電極孔。

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，導致底盤在加工和使用過程中易發(fā)生變形。同時，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，導致硅棒上部的“爆米花”現(xiàn)象嚴重[6]，嚴重的還會在氣相分解時產(chǎn)生大量無定型硅粉，造成原料浪費，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行了模擬計算，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 個或多個出氣口，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、出氣口均是以中心軸1/3 周期對稱分布，在建立模型時，將采用2 種出氣方式的18 對棒多晶硅還原爐均進行簡化，以節(jié)約計算時間。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，因此選擇硅棒高度為

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

1.2 物理模型

湍流方程選擇標準k-ε模型，輻射計算采用P1 模型[8]。通過Aspen Plus 計算混合反應(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入還原爐后迅速擴散，在升至離底盤高1.5 m 時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，遠低于上出氣方式還原的。同時也可看出，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)象是因為硅棒表面溫度和氣相溫度均較高、沉積過快、有較多的硅微粒生成導致的[9]?！氨谆ā爆F(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，SiHCl3會在距離硅棒較遠的熱區(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)生熱分解時產(chǎn)生無定型硅粉的機率會遠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 時的情況。

由于存在進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，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行了模擬計算和對比。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)實踐中進行驗證。