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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