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硅碳棒内部温度及电流密度分布的影响

    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碳棒提供。本文考虑多晶硅还原炉中辐射和对流热量传递形式,祸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一电磁场祸合模型,并通过工业数据验证了其模拟结果的合理性。分析了硅碳棒半径、交流电频率以及反应器壁发射率对西门子还原炉内、外硅碳棒内部温度及电流密度分布的影响。结果表明:当硅碳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碳棒内部温度梯度;交流电频率的增大,硅碳棒内部温度梯度逐渐减小;反应器壁发射率增加,低频时硅碳棒内部温差增大,而高频时发射率对硅碳棒内部温度分布影响不再显著。
    高纯多晶硅作为一种超高纯材料,不仅是制造集成电路等半导体器件的关键基础材料,也是当今世界光伏产业快速发展的核心材料,处于信息产业和可再生能源产业链的最前端。降低多晶硅的生产成本是降低光伏发电成本最直接也是最有效的手段。目前多晶硅生产主要采用改良西门子法,其核心生产设备是西门子
反应器。经过精馏提纯后的三氯氢硅(TCS)和氢气(HZ)在反应器中发生化学气相沉积(CVD)反应生成高纯硅,制备的多晶硅沉积在硅芯表面而使其直径逐渐增大,形成硅碳棒,当硅碳棒增长至一定直径时,停止还原炉,取出硅碳棒。改良西门子法生产多晶硅的生产成本中,电耗、三氯氢硅(TCS)生产和设备折旧是三项最为主要的独立成本,分别占32%-21%和16%。因此,降低多晶硅生产成本,最为有效的方法可从还原电耗着手。当前降低还原电耗的方法主要有:(1)增加硅碳棒数目;(2)增强还原炉内壁反射率;(3)增大硅碳棒最终沉积半径。增大硅碳棒数目加剧了新型反应器的设计和操作的难度,同时加大企业的投资成本。增强反射率(镀层、剖光)在沉积初期能够达到较好的效果,但镀层所用的金属(金、银等辐射率低的稀贵金属)的成本昂贵,且随着沉积反应的进行,硅粉会逐渐富集在还原炉内壁,致使节能效果降低或失效。高频交流电产生的趋肤效应能够有效降低硅碳棒内部温度梯度,从而实现硅碳棒最终沉积半径的增大,实现还原能耗的降低。www.sdzygw.com

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