CN102354336A - 一种对多晶硅cvd反应器辐射热损失的预估方法 - Google Patents

Abstract

一种对多晶硅CVD反应器辐射热损失的预估方法，基于蒙特卡洛法来准确获得辐射换热的关键技术参数——角系数，进而准确地求得CVD反应炉内的辐射热损失。本发明可以快速、准确地预估多晶硅CVD反应器的辐射热损失，其适用范围很广，尤其适用于任意硅芯对数和复杂结构的反应器。采用本发明提出的辐射热损失预估方法，可以为多晶硅CVD反应器的操作人员提供更加准确的辐射漏热数据，从而实现对工作电流的准确调控甚至为自动化控制提供必要的反馈信息，确保还原炉内硅芯的温度控制在更加准确有效的范围内，大大节约了反应耗能，并提高多晶硅产品的质量和生产的成品率，为企业带来极大的经济效益和社会价值。该方法同样适用于其它复杂结构的反应器的辐射漏热预估。

Description

一种对多晶硅CVD反应器辐射热损失的预估方法

技术领域

本发明属于冶金，金属与半导体材料领域，涉及以蒙特卡洛法计算CVD反应器中由硅棒(发热体)辐射而被CVD反应器壁面吸收的辐射热损失的预估方法，尤其涉及一种对多晶硅CVD反应器辐射热损失的预估方法。 

背景技术

目前，随着全世界的能源需求的不断增加，较高的能源价格和公众对于全球变暖问题的关注已经为太阳能电池打开了市场。高纯多晶硅作为半导体行业和光伏产业的关键性材料，由于其特有的优良特性，成为无法替代的战略资源。改良西门子法是目前国内外生产多晶硅的主流工艺，而国内的生产规模、产品质量、能耗、环保以及副产物的综合利用与国外技术的差距都很大，尤其是能耗过高，不能满足“节能减排”的战略需求。还原炉内硅芯的温度是多晶硅生产的重要工艺参数之一，工艺要求的硅芯温度是1080℃，而且此工艺温度在硅芯由φ8mm变到φ150mm的过程中必须一直保持恒定，才能使三氯氢硅在氢气的作用下还原并沉积在硅芯上。一方面，多晶硅项目由于工况特殊、技术不成熟、工程经验不足等原因，在自动控制上，特别是在还原炉内硅芯的温度测量控制上存在很多问题，无法做到准确、快速的自反馈；另一方面，因为反应器内硅芯在不断生长沉积，周围气体流场不断变化，为直接温度测量带来了很多的困难，同时由于硅芯截面面积不断变大，其电阻值不断减小，因此其操作电流由开始的0增大到结束时的3200A，其变化幅度十分巨大，而现在国内大多数多晶硅生产厂家还是利用手动调功柜调节电流来控制硅芯温度，如此大范围的电流变化，对操作人员的技术和经验提出 了相当高的要求，严重影响了多晶硅行业的发展。另外，因为多晶硅的生产是一个高能耗行业，其能耗主要源于三方面：辐射热损失、对流换热热损失和SiHCl₃化学分解反应热，但与其他两项相比，辐射热损失所占比例最大约为总能量损失的70％，所以，若不能准确的估算出辐射热损失，即无法对总能耗实现准确预测，很难实现真正意义上的节能， 

而多晶硅CVD反应器的总能量损失准确预测是操作人员控制供电流大小，确保还原炉内硅芯温度控制在有效范围内的关键依据，由于缺乏准确预估，目前基本上依靠操作工人的经验和视镜目测，导致很多生产事故，例如由于硅芯的温度过高导致融化，造成倒硅现象，给企业造成不必要的经济损失，但为了避免倒硅问题而刻意的降低反应温度，又极大的影响硅的转化率，因此，有效、准确地预测硅棒(发热体)的温度至关重要。另一方面，由于硅芯的温度为1080℃左右，而CVD反应器器壁的温度却很低，使得多晶硅CVD反应器的辐射热损失很大，造成大量的能量损失。另外，由于CVD反应器中结构复杂，硅棒(发热体)之间彼此遮挡，更加剧了辐射漏热预估的难度，用现有的经验公式无法准确预估出辐射热损失，从而严重地限制了多晶硅的生产和工艺操控。 

目前，国际上多晶硅CVD反应器朝着大尺寸、高对数的方向发展，如何解决其辐射漏热的准确预估成为该领域的关键技术之一，尤其是当内外环路之间出现硅棒(发热体)之间彼此遮挡而导致供电电流不均的时候，更容易出现所谓的“倒硅”现象——硅芯温度达到1420℃时，硅芯将被熔化，导致多晶硅的生产停滞。现有对多晶硅CVD反应器辐射热损失的计算方法主要是假设硅芯无限长，根据两个半径相同且平行的无限长圆柱间的角系数经验公 式，计算出角系数，进而根据热平衡求出辐射热。但该法在计算角系数时，无法解决硅棒(发热体)间的遮挡，因此，忽略了相互遮挡将为CVD反应器中由硅棒(发热体)辐射而被CVD反应器壁面吸收的辐射热损失的预估带来了很大误差，尤其是当硅棒(发热体)的数量较多时，误差更大，因此，准确预估CVD反应器中由硅棒(发热体)辐射而被CVD反应器壁面吸收的辐射热损失，不仅能为操作人员控制电流的大小提供有力的依据，同时大大降低多晶硅生产的能耗，提高多晶硅产品的质量和成品率。 

发明内容

本发明的目的在于针对目前工业上三氯氢硅还原法生产多晶硅的过程中，CVD反应器中硅棒(发热体)辐射而被CVD反应器壁面吸收的辐射热损失预估不准确，引起的还原炉内硅芯(发热体)温度控制难、能耗高、多晶硅生产稳定性差等诸多问题，提出了一种针对CVD反应器辐射热损失的多晶硅CVD反应器辐射热损失的预估方法。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是如下：基于蒙特卡洛法即统计方法，利用随机数进行统计以统计特征值获得辐射换热的关键参数——角系数，实现CVD反应器中由硅棒即发热体辐射而被CVD反应器壁面吸收的辐射热损失，具体过程如下： 

第一步，将CVD反应器壁面发射的辐射能量分成无数能束，每个能束具有等效能量，壁面所发射的能量即为此壁面发出的能束所携带的能量之和； 

第二步，在以CVD反应器中心为原点的坐标系内，给定硅芯数目及其各自的空间分布位置以及几何结构条件； 

第三步，以随机数n₁在此坐标系内确定角度θ₁＝2·π·n₁，进而确定发射 光线发射点位于壁面的空间位置：x₀＝R_reactor·cosθ₁，y₀＝R_reactor·sinθ₁，该发射点与原点o相连所得直线1的斜率k₁＝tanθ₁，及通过发射点并与壁面相切的直线2的斜率k₂＝-1/k₁；再以随机数n₂确定发射光线与直线2的夹角θ₂＝π·n₂，得出发射光线的斜率 

由此得出发射光线的轨迹线方程：y＝y₀+k₃(x-x₀)，其中R_reactor为反应器的半径； 

第四步，根据第二步中硅芯的位置和第三步中的发射能束轨迹线方程，通过点到直线的距离公式，得到反应器内各硅棒即发热体圆心到能束轨迹线的距离d，当d小于或等于硅棒即发热体半径R时，发射能束即光线与硅棒即发热体表面相交，记录这些硅棒即发热体的信息； 

第五步，由于能束仅能与单一硅棒相交，针对第四步硅棒编号，依据距发射点的距离最小法则，确定相交的硅棒编号即能束被该硅棒接收，并对该硅棒接收到的光线数量进行数据统计； 

第六步，重复第三至五步，逐个产生、发射、跟踪和统计每一能束运行轨迹和接收状态，从而得到最终结果，根据每个硅棒表面吸收能束的数量和所发射的能束总数，确定CVD反应器壁面对硅棒表面的角系数； 

第七步，根据辐射换热角系数的相对性原理，由第六步得到的CVD反应器壁面对硅棒表面的角系数来确定每一个硅棒表面对CVD反应器壁面的角系数； 

第八步，根据辐射传热网络，得出各表面的有效辐射传热的方程组，联立求解得到由硅棒表面辐射而被CVD反应器壁面吸收的辐射热损失。 

本发明的突出优点在于：可以快速、准确地预估多晶硅CVD反应器的辐射热损失，并且对于多晶硅CVD反应器中的硅芯对数及位置没有特别要求， 可以适用于包含任意硅芯对数和空间位置布置的多晶硅CVD反应器。本发明方法与根据两个半径相同且平行的无限长圆柱间的角系数经验公式有着本质的不同，本发明提出的方法是利用蒙特卡洛法随机统计的原理，充分考虑和解决了硅芯间的遮挡问题，因此，极大地提高了多晶硅CVD反应器辐射热损失预估的准确性，验测证明在生产单位质量多晶硅时，该方法所估多晶硅CVD反应器的辐射热损失比角系数经验公式法所估辐射热损失低19.6％，这符合考虑硅棒(发热体)间遮挡后的结果要求。 

附图说明

图1是CVD反应器装置结构示意图； 

图2是计算示意图； 

图3是生产单位质量多晶硅时，辐射热损失的预估结果比较图； 

图4是辐射热损失总量的预估结果比较图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 

参见图1，以36根硅棒(发热体)，分3环对称布置的CVD反应器为例，包括CVD反应器的器壁(1)，以三个同心环形式对称布置的36根硅芯(2)，位置可调的隔热屏(3)，根据本方法的计算结果可预估出隔热屏的最佳位置。 

采用本发明的方法对CVD反应器的辐射热损失进行预估。 

第一步，将CVD反应器壁面1发射的辐射能量看作是由许多能束组成，每个能束具有相等的能量，壁面所发射的能量即为此壁面发出的能束所携带的能量之和； 

第二步，在以CVD反应器中心为原点的坐标系内，给定硅芯(2)数目为 18对，且分3环对称分布； 

第三步，以随机数n₁在此坐标系内确定角度θ₁＝2·π·n₁，进而确定发射光线发射点位于壁面的位置：x₀＝R_reactor·cosθ₁，y₀＝R_reactor·sinθ₁，该发射点与原点o相连所得直线1的斜率k₁＝tanθ₁，及通过发射点并与壁面相切的直线2的斜率k₂＝-1/k₁；再以随机数n₂确定发射光线与直线2的夹角θ₂＝π·n₂，进而得出发射光线的斜率 

由此得出发射光线的方程：y＝y₀+k₃(x-x₀)，其中R_reactor为反应器的半径(参见图2)； 

第四步，根据第二步中硅芯的位置和第三步中的发射能束方程，通过点到直线的距离公式，求解硅棒(发热体)圆心到发射能束的距离d，当d小于或等于硅棒(发热体)半径R时，可认为发射能束与硅棒(发热体)表面相交，筛选并记录这些硅棒(发热体)的信息； 

第五步，由于能束不能穿过与其相交的硅棒(发热体)，所以对于第四步筛选出的硅棒中只有离发射点最近的硅棒(发热体)能够接受辐射能束。故对于第四步筛选出的硅棒(发热体)还需要确定其中与能束发射点距离最近的一根硅棒(发热体)，并认为能束被该硅棒(发热体)表面吸收； 

第六步，重复第三至五步，逐个跟踪每一能束的行程，当发射能束数量足够多时，就可以得到具有统计意义的结果，根据每个硅棒(发热体)表面吸收能束的数量，可以确定CVD反应器壁面对硅棒(发热体)表面的角系数； 

第七步，根据辐射换热角系数的相对性原理，由第六步计算的CVD反应器壁面对硅棒(发热体)表面的角系数确定每一个硅棒(发热体)表面对CVD反应器壁面的角系数； 

第八步，根据辐射传热的网络法得出各表面的有效辐射传热的联立方程 组，求解得到由硅棒(发热体)表面辐射而被CVD反应器壁面吸收的辐射热损失。 

本发明第一步中的硅芯(发热体)数目和位置都是在计算之前根据实际要求任意给定的。这就使得本发明提出的预估方法的适用范围极为广泛，尤其是适应于结构复杂的辐射漏热极其严重的设备，对于本发明的推广应用具有非常重要的现实意义。 

第六步和第七步中，根据辐射换热角系数的相对性原理，将硅棒(发热体)表面对CVD反应器壁面的角系数的计算转换成更便于计算的CVD反应器壁面对硅棒(发热体)表面的角系数的计算。这就使得计算过程大大简化，并极大的节约了计算时长，满足了工程设计的需要。 

本发明在满足对辐射漏热准确预估的前提下，还具有实现CVD反应器的结构优化设计的辅助功能，即针对第二步的硅棒(发热体)位置任意预设计，来获得不同结构形式的辐射漏热情况，进而筛选出最优的结构形式，该方法不受任意结构形式的限制。 

在第七步和第八步之间，可以增加一个隔热屏的辐射传热环节，进而满足有隔热屏的CVD反应器的辐射热损失预估，并可以实现隔热屏结构与材料的优化，进一步提高系统效率。 

对预估结果进行分析和比较，参见图3、图4。 

图3给出了生产单位质量多晶硅时，辐射热损失的预估比较结果。由图可知，当多晶硅生长速率为7μm/min，在未设热屏时，以本发明的方法计算的辐射热损失比以经验公式计算的辐射热损失减少19.6％；在设有热屏时，以本发明的方法计算的辐射热损失比以经验公式计算的辐射热损失减少 6.95％。图4给出了辐射热损失总量的预估比较结果。由图可知，当硅棒(发热体)直径为10cm时，以本发明的方法计算的辐射热损失比以经验公式计算的辐射热损失减少19.8％；在设有热屏时，以本发明的方法计算的辐射热损失比以经验公式计算的辐射热损失减少8.5％。所得结果是符合实际情况而且比较精确的，因为在以经验公式计算辐射热损失的方法中各硅芯2是相互独立的，它们之间的相互影响未被考虑，而遮挡是会减少硅芯2与反应器壁1间的辐射热损失，进而减少总能量损失的，所以，以该法计算的辐射热损失会因未考虑遮挡而比实际值大很多；而本发明的方法，正是针对经验法的这点不足，充分考虑到实际操作中CVD反应器内36根硅芯2之间的相互遮挡，而两种方法所得结果的比较也证明了这一点，这就说明本发明方法预估的辐射热损失更接近真实值。同时热屏3的引入是为减少辐射热损失进而减少总能量损失以节约能耗，采用热屏和未设置热屏所得的结果也表明以设置热屏的方法减少辐射热损失，节约能耗，是个很有效的措施。该发明专利进一步解决了多晶硅的这一高能耗行业所存在技术难题，实现了对辐射漏热损失的准确预估，从而为现场操作人员提供了有力的数据支持和参考，为工作电流的有效调控乃至自动化控制奠定了坚实基础，确保还原炉内硅芯的温度控制在有效范围内，极大地实现了系统节能和提高了产品生产率，为企业带来巨大的经济效益和社会效益。 

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，也可根据实际需要增加或减少硅棒(发热体)数量，变更硅棒(发热体)的排布形式及结构形式。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实 施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。 

Claims (1)

1.一种对多晶硅CVD反应器辐射热损失的预估方法，其特征在于：基于蒙特卡洛法即统计方法，利用随机数进行统计以统计特征值获得辐射换热的关键参数——角系数，实现CVD反应器中由硅棒即发热体辐射而被CVD反应器壁面吸收的辐射热损失，具体过程如下：

第一步，将CVD反应器壁面发射的辐射能量分成无数能束，每个能束具有等效能量，壁面所发射的能量即为此壁面发出的能束所携带的能量之和；

第二步，在以CVD反应器中心为原点的坐标系内，给定硅芯数目及其各自的空间分布位置以及几何结构条件；

第三步，以随机数n₁在此坐标系内确定角度θ₁＝2·π·n₁，进而确定发射光线发射点位于壁面的空间位置：x₀＝R_reactor·cosθ₁，y₀＝R_reactor·sinθ₁，该发射点与原点o相连所得直线1的斜率k₁＝tanθ₁，及通过发射点并与壁面相切的直线2的斜率k₂＝-1/k₁；再以随机数n₂确定发射光线与直线2的夹角θ₂＝π·n₂，得出发射光线的斜率由此得出发射光线的轨迹线方程：y＝y₀+k₃(x-x₀)，其中R_reactor为反应器的半径；

第四步，根据第二步中硅芯的位置和第三步中的发射能束轨迹线方程，通过点到直线的距离公式，得到反应器内各硅棒即发热体圆心到能束轨迹线的距离d，当d小于或等于硅棒即发热体半径R时，发射能束即光线与硅棒即发热体表面相交，记录这些硅棒即发热体的信息；

第五步，由于能束仅能与单一硅棒相交，针对第四步硅棒编号，依据距发射点的距离最小法则，确定相交的硅棒编号即能束被该硅棒接收，并对该硅棒接收到的光线数量进行数据统计；

第六步，重复第三至五步，逐个产生、发射、跟踪和统计每一能束运行轨迹和接收状态，从而得到最终结果，根据每个硅棒表面吸收能束的数量和所发射的能束总数，确定CVD反应器壁面对硅棒表面的角系数；

第七步，根据辐射换热角系数的相对性原理，由第六步得到的CVD反应器壁面对硅棒表面的角系数来确定每一个硅棒表面对CVD反应器壁面的角系数；

第八步，根据辐射传热网络，得出各表面的有效辐射传热的方程组，联立求解得到由硅棒表面辐射而被CVD反应器壁面吸收的辐射热损失。

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