多晶硅还原炉夹套式封头热 -机械耦合场有限元分析

李晓东 李国苑 张帅帅

摘要：多晶硅是现代电子学发展以及其他硬件设备研究中使用较多的一类材料，而生产多晶硅需要使用到多晶硅还原炉作为主要设备，但是在其使用过程中进气管、出气管以及电极座等主要结构部件分布在封头位置，这样多晶硅还原炉使用时封头位置的温度处理就变得比较困难，各个部件的温度不同使得分布不均匀，温差压力较大，导致还原炉的使用存在着一定的安全隐患。因此对其安全性进行分析是有一定必要的，本文将对多晶硅还原炉夹套式封头热-机械耦合场进行有限元分析，从而得出较为完整且合理的温度分布云图，从中反映出应力的分布规律，以我们的结果为今后的多晶硅还原炉设计和使用提供一定的参考意见。

关键词：多晶硅还原炉；夹套式封头；热-机械耦合场；有限元分析

要想在微电子设备以及其他各种机械装置中较好的应用多晶硅，对于多晶硅的质量有着相当高的要求，而在多晶硅生产过程中，还原炉是一个较为重要的装置，其各种生产参数包括温度分布均匀程度、进出气的方式以及进出气的流量都与多晶硅的最终生产质量息息相关。基于此，需要对多晶硅还原炉内部结构进行优化并对封头的各项传热、流动性能进行分析，本文的研究也集中于夹套是封头有限元模型的建立，使用ANSYS软件分析热-机械耦合场，以供多晶硅还原炉的优化设计所参考。

多晶硅还原炉夹套式封头的几何结构和材料参数

1.1 几何结构

多晶硅还原炉的夹套式封头其整体结构主要由以下几个部分构成，分别是上花板、法兰、下花板、出气管、加强板、进气管以及电极座。其中，电极座孔以及进出气管孔均分布在封头处，而整个还原炉封头的中心处为腔体结构。在对其热-机械耦合场进行分析时，选择ANSYS作为分析软件，后续建立的模型也基于该软件实现，选择上花板的厚度为35mm，下花板厚度为30mm，整个夹套式封头的外径为1630mm。

1.2 材料参数

多晶硅还原炉的夹套式封头上花板以及出气管都选择316L不锈钢作为主要材料，其弹性模量在室温下为201 GPa，许用应力为120 Mpa，热传导系数为14.7 W/(m•K)，对流传导系数为15.5 W/(m²•K)ⅹ10⁶，随着多晶硅还原炉温度的变化，其各项材料参数也会随着变化，当温度上升到100℃时，弹性模量为195 GPa，许用应力为120 Mpa，热传导系数为16.1 W/(m•K)，对流传导系数为16.0 W/(m²•K)ⅹ10⁶，当温度上升到200℃时，弹性模量为189 GPa，许用应力为108 Mpa，热传导系数为17.5 W/(m•K)，对流传导系数为17.0 W/(m2•K)ⅹ106，温度上升到300℃时，弹性模量则变为182 GPa，许用应力为95 Mpa，热传导系数为18.8 W/(m•K)，对流传导系数为17.5 W/(m²•K)ⅹ10⁶。而夹套式封头中法兰以及下花板采用的材料为304不锈钢，该材料的各项性能参数与316L不锈钢也有一定的不用，弹性模量在室温下为195 GPa，许用应力为137 Mpa，热传导系数为14.7 W/(m•K)，对流传导系数为16.5 W/(m²•K)ⅹ10⁶，随着多晶硅还原炉温度的变化，其各项材料参数也会随着变化，当温度上升到100℃时，弹性模量为189GPa，许用应力为137 Mpa，热传导系数为16.1 W/(m•K)，对流传导系数为16.7 W/(m²•K)ⅹ10⁶，当温度上升到200℃时，弹性模量为183 GPa，许用应力为130 Mpa，热传导系数为17.5 W/(m•K)，对流传导系数为17.0 W/(m2•K)ⅹ106，温度上升到300℃时，弹性模量则变为176 GPa，许用应力为114 Mpa，热传导系数为18.8 W/(m•K)，对流传导系数为17.9 W/(m²•K)ⅹ10⁶。

建立有限元分析模型以及选择边界条件

2.1 有限元分析模型

在对多晶硅还原炉夹套式封头进行有限元分析时选择8节点SOLID278 热单元以及SOLID185 结构单元对整个模型进行网络划分，建立起1/4的有限元分析模型。

2.2 确定边界条件

有限元分析必要要有边界条件的确定，以使得分析结果更加合理科学，首先对有限元模型的载荷条件确定，选择夹套上腔气体温度为600℃，腔内压力为1.0 MPa，同时确定夹套腔体内部冷却水温度为150℃，腔内压力同样为1.0 MPa，在此基础上，确定进气管气体温度为150℃，出气管气体温度为650℃，电极座电极温度为200℃，法兰内冷却水温度为40℃，环境温度选择为室温25℃。在对载荷条件确定之后，需要施加相应的约束条件，在有限元分析时施加对称边界条件于X和Z对称坐标轴上，并采用圆环面轴向Y方向约束以实现对法兰局部下环面的约束，并使得上下板与还原炉支座焊接部位模拟加强。

多晶硅还原炉夹套式封头热-机械耦合场有限元分析结构

3.1 温度场分析情况

建立有限元分析模型得到夹套式封头整体结构的温度分析情况，其中上花板上表面的温度最高，为295℃，而夹套法兰冷却水环管附近处的温度最低为50℃。从各个部件进行分析可以得到上、下花板的温度分布情况，可以得出进出气管以及电极座附件的温差较大，有着对热应力进行分析的必要性。而对于电极座部分而言，其温度分布在150℃到245℃之间，从电极座底部由下到上温度逐渐上升。

3.2机械应力场分析结果

多晶硅还原炉夹套式封头处的应力场分析结果通过有限元分析可以得到对应的压力载荷下结构轴方向的位移云图，即我们在分析中建立的Y轴，最大位移为5.4mm，得到的压力载荷下夹套式封头处的等效应力云图为195 MPa。其中，夹套式封头上花板的最大轴向位移为沿Y轴向下4.3 mm，得到的最终等效压力为167MPa，可以看到上花板的等效应力是小于整体结构的等效应力的，而夹套下花板部分的最大轴向位移为沿Y轴方向向下5mm，最大的等效应力则为189MPa。有限元分析除对上下花板进出气管以及其他部分进行应力场分析之外，电极座应力、应变也需要进行分析，分析结果也显示出电极座轴向位移以及应力场分析云图，最终的位移为沿轴向下4.9mm，得出的最大等效应力为137 MPa，云图显示电极座上下端以及中间截面部分应力较大，对其进行分析可以认为这是因为上下端部与夹套上下花板连接处的部分膨胀时会受到上下花板的约束，这种约束作用会使得应力集中在截面处，从而显示出云图所示的结果。

结语

综上所述，多晶硅还原炉的各项性能参数是与最终的多晶硅质量息息相关的，因此我们采用有限元分析得到了多晶硅还原炉夹套式封头处的温度场以及机械应力场结果，以对后续的设备设计和优化提供参考。

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作者简介：李晓东（1988-11-24），男，汉族，籍贯：甘肃省天水市，学历：本科，研究方向：机械工程。