太阳能级硅（Solar-grade silicon）在通信和光伏等应用中越来越受欢迎。虽然跟上这种不断增长的需求很重要，但目前生产太阳能级硅的方法能耗大并且昂贵。为了找到更有效的工艺，JPM Silicon GmbH 的研究人员探索了一种使用微波熔炉的新方法。他们通过仿真模拟了该工艺的内部过程，旨在优化微波熔炉设计，生产低成本的太阳能级硅。
什么是太阳能级硅？
高纯度硅有三个等级，每个等级都有不同的应用和特定的纯度要求，太阳能级硅是其中的一个等级:
- 冶金级硅纯度为 98%
- 太阳能硅纯度为 99.9999%(6N 或“六个 9”)
- 电子级硅纯度为 99.9999999%(9N)
单晶硅的结构。太阳能硅几乎是纯硅。
太阳能级硅的生产方法比较
传统上，太阳能级硅是在高温(2000 ℃)下通过还原硅石英和碳进行生产的，硅的纯度为 98.5%。但这还不够纯，不能被认为是太阳能级的，所以硅必须通过气相进一步提纯。由于该工艺包含多个步骤和不同的过程，因此这种方法的效率不高，而且也比较耗能和昂贵，并需要有经验的操作员。
JPM 的分析方法是从高纯度的原材料开始。将硅放入无污染的微波熔炉中，进行传统生产过程中的加热和气相阶段。由于没有连续的优化过程，这种方法更加高效和经济。
微波熔炉的设置。图片 N. Rezaii 和 JP Mai 拍摄，摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑会议上发表的论文。
微波熔炉由五部分组成:
- 磁控管芯，产生电磁微波
- 波导，将微波传输到谐振器中
- 谐振器(也称为反应室)，包括一个盛装硅样品的坩埚
- 调谐器，可以改善微波的吸收
- 循环器，通过使用水浴来消散反射微波能量，防止磁控管过热
优化微波熔炉设计的一个优点是减少热量损失。这是由于它可以选择性加热，只加热特定体积内的材料，从而导致从内到外的温度下降。此外，由于熔炉的升温时间更快，停留时间更短，所以硅杂质的扩散更少。
为了优化生产太阳能级硅的微波熔炉，JPM 公司使用 COMSOL Multiphysics 软件研究了其内部过程。
使用COMSOL Multiphysics模拟微波熔炉生产太阳能硅
研究小组使用 COMSOL 软件建立了他们的模型，用于模拟微波熔炉内发生的电磁、化学和物理现象。由于一些材料具有与温度密切相关的电磁特性，因此该模型将电磁场分布和温度场耦合在一起。
您可以通过阅读完整的会议论文来了解有关模型设置的更多信息 用于提高太阳能级硅的生产效率的微波熔炉的多物理场仿真。
为了避免不必要的反应，在微波熔炉中使用化学稳定的结构材料和惰性气体是很重要的。此外，绝热材料必须能有效减少热量损失。
电磁强度和分布
研究小组使用RF模块模拟谐振器和硅样品中的电磁强度和分布。他们用麦克斯韦方程组确定微波辐射的传播。
波导端口高度处的电场高于反应室的任何其他部分。坩埚中心的磁场增强表明这是加热坩埚的最佳位置，如下图所示。
谐振器和波导中的电场分布。图片由 N.Rezaii 和 JP Mai 提供，摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑会议上发表的论文。
研究人员还希望了解隔热板高度的变化如何影响熔炉的运行。他们测试了板的三个不同高度(坩埚位于板的顶部)，并重新检查了电场。绝缘板高度包括:
- 30 mm
- 40 mm
- 50 mm
绝缘板高度为 30mm(左)、40mm(中)和 50mm(右)时的电场分布。图片由 N. Rezaii 和 J.P. Mai 提供，摘自他们在 2016 年慕尼黑会议上的论文。
仿真结果表明，40mm 绝缘板的性能最好。电场集中在坩埚的中心，因此集中在硅样品上。
气体流速分布
研究人员使用 CFD 模块求解了 Navier-Stokes 方程，得到了气体流速分布。气体从入口流过硅样品的表面，速度不均匀。然后，器壁将气流转向出口。仿真结果显示，在波导端口附近以及在顶壁和底壁附近仅存在少量的气流。
谐振器中的气体速度分布。图片由 N. Rezaii 和 J.P. Mai 提供，来自他们的 2016 慕尼黑 COMSOL 会议海报。
热分布
为了分析电磁波对硅样品的加热程度，研究小组检查了谐振器中的热分布。他们的模型包括计算固体和液体(普朗克辐射定律)以及气体(Stefan-Boltzmann定律)的传导、对流和辐射的强制热方程。用RF模块计算出的耗散热量被用作体积热源。用CFD模块计算的气体速度分布有助于发现对流热损失。
正如电磁学研究所预期的那样，谐振器中最热的点在坩埚的中心。此外，由于具有较低的热导率，周围的绝缘层不会发热。
谐振器中的热量分布。图片由 N. Rezaii 和 JP Mai 提供，来自 他们的 2016 慕尼黑会议海报。
通过深入了解微波熔炉的内部过程，JPM 公司的研究人员优化了他们的设计，并为高效的太阳能硅生产奠定了基础。
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