多晶硅生长的数值模拟研究

第４２卷第９期　２０１３年９月　化工技术与开发　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｖ０１．４２　Ｎｏ．９　Ｓｅｐ．２０１３　

摘　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）　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；化学气相沉积；数值模拟　中图分类号：ＴＱ　０１８　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　之一，其生产能力占世界多晶硅生产能力的７８％。　改良西门子法制备多晶硅的核心技术是化学气相沉　积生长硅棒的技术，该技术成熟与否将直接影响多　晶硅的产量、质量和综合能耗。目前，该技术被少数　的几个发达国家垄断，我国已经投产或者达产的多　晶硅生产企业大部分都采用从德国或俄罗斯引进的　技术，各生产企业根据实际生产情况，对进口的设　备或工艺进行局部改进，在一定程度缓和了对国外　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，　原料或中间产物化学性质不稳定，都是剧毒、易爆炸　物质，单纯靠实验方法去优化工艺参数，第一成本太　大，需外购三氯氢硅等原料和设备；第二，危险性大，　一般的实验室难以满足苛刻的安全条件；第三，进行　化学气相沉积实验需要配备尾气回收系统、储罐等，　实验设备多，系统复杂。　化学气相沉积生长硅棒的原理是高纯三氯氢硅　和氢气进入还原炉在高纯硅芯表面发生的气化学沉　积反应（ＣＶＤ）。还原炉内化学反应极其复杂，沉积　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　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：２０１３－０７－０１　法，数值模拟方法具有费用低、速度快、研究周期相对　较短、重复陛好、易于修改等优点，还可以观察不同操　作参数对求解问题的影响，弥补了理论分析和实验测　量法的不足。利用模拟软件对还原炉内部的复杂流　动、物料分布、温度分布等获得完整的数据，然后将其　三维模型在计算机屏幕上形象地再现，为设计人员和　操作人员改进设计和控制提供理论依据，同时也可节　省大量的人力和物力，缩短实验研究时间。　１数值模拟的模型　１．１几何模型　查阅文献发现，多晶硅的物理模型主要有两种，一　种是假设西门子反应器中的硅芯之间的边界是绝热密　闭的，硅芯的沉积反应都是对称的，选用一中空的圆柱　体作为反应的几何模型，内柱面定义为硅芯，作为气象　反应的表面，外圆柱面作为反应的边界，混合气体由下　面的环面进＾，尾气由上环面排除，如图１圜。一种是三　氯氢硅和氢气的混合气由气体进口进入反应器，假设　多晶硅的气相沉积发生在衬底上，如图　。目前，国内　大多数数值模拟，也基于以上两种模型。　

第２５卷第１期　２０１１年３月　南华大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｙ　Ｃｈｉｎａ（Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．１　Ｍｎｒ．２０１１　

文章编号：１６７３—００６２（２０１１）０１—００３３—０５　

矿物分形生长的动力学模型与数值模拟　

谢焱石，谭凯旋，王正庆，胡凯光　

（南华大学核资源与核燃料Ｔ程学院，湖南衡阳４２１００１）　

摘　要：本文通过考虑离子电位、环境温度以及噪声等的影响，建立了一个矿物分形　

生长的ＤＬＡ模型．在３００×３００的正方格子中心处放置一个种子构成生长中心，吸引　

域设置为菱形，主要考虑了三个参数的影响，其中总体的表面粘附几率为Ｐ　，范围为　

０～９９％，用来消除噪声的影响，模拟矿物的结晶生长速度与矿物结构的关系；吸附距　离ｄ变化范围为０～９单元距离，用来模拟离子电位对矿物生长的影响；填充间隔Ｓ　

的变化范围为０．００～５．００单元距离，表现为环境温度对矿物生长体系的影响．进行　

了三组模拟，分别是固定其中２个参数，改变另一个参数．结果表明，ＤＬＡ集团的分维　

值随模拟参数成规律性的变化，分形维数在一定的条件下随着Ｐ　的降低、ｄ和Ｓ的增　

大而增大，矿物的结构也随之从浸染状、星散状或放射状逐渐过渡到团块状．该模型　

只是对三维分形生长的二维平面模拟，不能完全反映整个矿物在三维受限空间中聚　

集生长的复杂动力学．　

关键词：ＤＬＡ模型；矿物；分形生长　

中图分类号：Ｐ６】１．５　文献标识码：Ａ　

Ａｎ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　

Ｆｒａｃｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　Ｍｉｎｅｒａｌｓ　

ＸＩＥ　Ｙａｎ・ｓｈｉ，ＴＡＮ　Ｋａｉ－ｘｕａｎ，ＷＡＮＧ　Ｚｈｅｎｇ－ｑｉｎｇ，ＨＵ　Ｋａｉ－ｇｕａｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｆｕｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ，　

泡生法蓝宝石不同生长阶段热应力的数值模拟研究＊

杨　琳，左　然，苏文佳，娄中士

（江苏大学能源与动力工程学院，镇江２１２０１３）

摘要 利用计算机模拟对泡生法蓝宝石单晶各生长阶段的热应力进行了分析，发现晶体中最大热应力位于籽

晶与新生晶体交界处或靠近固液界面的晶体边缘，其次位于晶体肩部。在此基础上，针对某一生长阶段讨论了加热

器位置和坩埚形状对晶体中热应力分布的影响。结果表明：固液界面处的热应力随着加热器轴向中点与熔体轴向中

点的距离Ｌ的增加先减后增，当Ｌ为１９０ｍｍ时，晶体中热应力最小；随着坩埚底部倒角半径的增加，固液界面处热应

力呈上升的趋势。

关键词 泡生法　蓝宝石单晶　数值模拟　固液界面　热应力中图分类号：Ｏ７８２ 文献标识码：Ａ

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｓｔｒｅｓｓ　ａｔ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｓｔａｇｅｓ　ｉｎ　Ｋｙｒｏｐｏｕｌｏｓ

Ｓａｐｐｈｉｒｅ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ

ＹＡＮＧ　Ｌｉｎ，ＺＵＯ　Ｒａｎ，ＳＵ　Ｗｅｎｊｉａ，ＬＯＵ　Ｚｈｏｎｇｓｈｉ

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　２１２０１３）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ｉｎ　Ｋｙｒｏｐｏｕｌｏｓ　ｓａｐｐｈｉｒｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｇｒｏｗｔｈ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ＣＧＳｉｍ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．

Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｌｗａｙｓ　ｅｘｉｓｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｅｅｄ－ｃｒｙｓｔａｌ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，

ａｎｄ　ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅｌｔ／ｃｒｙｓｔａｌ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｔｈｅ　ｎｅｘｔ　ｉｓ　ａｔ　ｓｈｏｕｌｄｅｒ　ｌｏｃａｔｉｏｎ．Ａｓ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｍｉｄ－ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ

圆圆器　刚　

多晶硅铸锭炉热场底部改进的数值模拟研究　信息技术　①　

高强’　韩江山　沈永华’　夏小江’　（１．浙江省机电设计研究院有限公司　浙江杭州　３１　０００２；２．江苏大学能源与动力工程学院　江苏镇江　２１　２Ｏ１　３）　

摘要：多晶硅铸锭炉热场的优化改进对于生长高质量的多晶硅极为重要。本文结合计算机数值模拟，对多晶硅铸锭炉热场的底部进行　优化，并分析了．这＿项优惠对温场．流场和界面的影响。模拟结果表明，热场优化后，杂质分布更加均匀，更有利于定向凝田过程。　关键词：多晶硅　数值模拟　热场　光伏　太阳能　中图分类号：ＴＧ１　５６．８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－－３７９１（２０１３）０５（ａ）－Ｏ０１　２－－０１　

多晶硅太阳电池由于产量大、性价比　

高，占据着约５０％的光伏产品市场份额…。多　晶硅铸锭晶粒的大小及组织形态与电池的　

性能有着密切的联系，晶粒尺寸均一、粗大　有利于得到高质量的多晶硅片，从而提高　多晶硅太阳电池的效率［２ｊ。多晶硅晶粒大小　

和组织形态，很大程度上取决于多晶硅铸　锭炉热场设计以及工艺过程。以往热场设　计都是通过实验来调整，这需要很高的成　

本及时间。同时，由于铸锭炉很高的温度，　所以得到炉体内部的温度分布非常困难。　

数值模拟的出现为更好的理解熔体凝固过　程中的传热传质以及温场、流场的分布提　供了有力的工具，已经成为学术界和产业　界的重要研究和开发手段　。　

１模型及参数设置　

本文采用工业界常用的带有移动隔热　

笼的多晶硅铸锭炉进行研究。铸锭炉的物　理模型采用简化的二维轴对称模型。在物　理模型中，考虑了晶体、熔体和坩埚内的能　量守恒，熔体和气体中的对流、各表面之间　

的辐射、结晶潜热、高温熔体内的湍流流　动。模拟采用ＳＴＲ公司开发的晶体生长专　

业模拟软件ＣＧＳｉｍ，该软件用于多晶硅铸　锭的数值模拟研究已被大量文献所报道。　计算方法采用有限元法（固体区域）与有限　

体积法（流体区域）结合。