基于ANSYS軟軸型單晶爐提拉系統(tǒng)晃動分析

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明，650203）

基于ANSYS軟軸型單晶爐提拉系統(tǒng)晃動分析

白艷霞

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明，650203）

在軟軸型單晶爐實際拉晶過程中發(fā)現(xiàn)，單晶爐提拉系統(tǒng)在其工作轉(zhuǎn)速達(dá)到13～14r/min范圍時，發(fā)生明顯晃動，嚴(yán)重影響了單晶爐拉晶質(zhì)量和生產(chǎn)效率。為解決此問題，本文選取單晶爐提拉系統(tǒng)為研究對象，建立提拉系統(tǒng)不同軟軸長度和不同擺錘質(zhì)量的有限元模型，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析求出固有頻率及其對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速。分析結(jié)果表明，提拉系統(tǒng)軟軸長度和擺錘質(zhì)量在某些范圍內(nèi)，其臨界轉(zhuǎn)速接近13～14r/min。因此，提拉系統(tǒng)軟軸的長度和擺錘重量是引起系統(tǒng)晃動的可能原因，在實際拉晶生產(chǎn)中為了避免提拉系統(tǒng)的晃動，需要選擇適當(dāng)長度和重量的軟軸和擺錘。

單晶爐提拉系統(tǒng)；有限元模型；固有頻率；軟軸晃動

人工晶體是太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展所需的核心原材料，單晶爐是制造人工晶體的專用設(shè)備，目前國內(nèi)外的單晶爐大部分采用軟軸提拉系統(tǒng)。由于受到液/固相變規(guī)律的制約，單晶爐在實際工作中要求提拉機(jī)構(gòu)既要做旋轉(zhuǎn)運動，又要做上升運動，同時還要保持速度穩(wěn)定，對中性好，不能出現(xiàn)蠕動和擺動。提拉系統(tǒng)的晃動會引起生長瞬間微觀擴(kuò)散層的變化，造成有效分凝系數(shù)的變動，導(dǎo)致微觀摻雜劑濃度分布的徑向不均勻，引起對流情況不穩(wěn)定，導(dǎo)致生長時固液界面過冷度的變化，為枝晶生長提供條件[1]，會嚴(yán)重地影響單晶體的內(nèi)在品質(zhì)。因此，避免提拉系統(tǒng)的晃動是單晶爐結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點之一。

在生產(chǎn)實際中發(fā)現(xiàn)，某型號單晶爐的提拉系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速接近13～14r/min范圍時，提拉系統(tǒng)的軟軸會出現(xiàn)明顯的晃動，這個問題一直制約著晶體生長的質(zhì)量和生產(chǎn)效率的提高。以前雖然提出過很多的解決措施，但其效果均不明顯。本文擬采用有限元分析的方法，對單晶爐的提拉系統(tǒng)進(jìn)行分析，找出引起提拉系統(tǒng)軟軸晃動的原因，為避免或者減小軟軸的晃動提供參考。

1 單晶爐提拉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟軸型直拉單晶爐是人工晶體生長設(shè)備中很重要的產(chǎn)品系列，主要由機(jī)架、坩堝驅(qū)動部分、主爐室、翻板閥、副爐室、籽晶旋轉(zhuǎn)及提升部分、真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、加熱功率部分、電氣控制部分等組成，如圖1所示。籽晶旋轉(zhuǎn)及提升部分（上傳動系統(tǒng)）和坩堝驅(qū)動部分（下傳動系統(tǒng)）是單晶爐的重要組成部分。實際生產(chǎn)單晶過程中，上傳動和下傳動系統(tǒng)與單晶的生長過程有直接的關(guān)系，二者的運動關(guān)系需根據(jù)單晶生長機(jī)理合理分配，任何一個系統(tǒng)運動出現(xiàn)問題就會造成單晶提拉失敗或者單晶生長出現(xiàn)缺陷。

圖1 單晶爐結(jié)構(gòu)圖

圖2 提拉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于在引晶階段，單晶爐的籽晶旋轉(zhuǎn)及提升部分（見圖2）會出現(xiàn)晃動，因此本文主要對這部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。單晶爐的旋轉(zhuǎn)及提升部分主要由電機(jī)、減速器、卷絲輪、卷輪軸及其附件、卷輪罩及其端蓋、底板、軟軸和擺錘組成，旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過皮帶帶動提拉系統(tǒng)整體做回轉(zhuǎn)，并帶動軟軸旋轉(zhuǎn)。籽晶的提升由提升電機(jī)通過精密減速器帶動卷絲輪轉(zhuǎn)動，卷絲輪再提升軟軸實現(xiàn)向上提拉晶體，軟軸下端連接重錘，用來固定籽晶，籽晶不斷長大形成規(guī)則的圓柱狀晶體。

2 單晶爐提拉系統(tǒng)有限元模型

2.1 有限元模型

在對單晶爐的提拉系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡化，如去除螺紋、鍵槽和起定位作用的凸臺等細(xì)節(jié)后得到有限元分析所需的計算模型，接下來進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分。提拉系統(tǒng)的減速器、卷絲輪等形狀較復(fù)雜的金屬零部件均采用四面體單元soIid92；系統(tǒng)的軟軸由于其性能特殊（僅受拉力），故采用具有雙線性剛度的Iink10單元進(jìn)行模擬[2]。由于金屬部件和軟軸采用不同種類的單元，因此在它們的連接處，即重合節(jié)點處，進(jìn)行了節(jié)點自由度耦合。整個有限元模型共生成單元48523個，節(jié)點74040個。

2.2 單晶爐提拉系統(tǒng)材料特性參數(shù)

單晶爐提拉系統(tǒng)有限元分析所用材料參數(shù)見表1。

2.3 約束條件與載荷

將單晶爐提拉系統(tǒng)運動的某一瞬間近似地視為靜止?fàn)顟B(tài)。因此，提拉系統(tǒng)的底板處理成固定約束，在引晶階段，加在軟軸下端的籽晶及擺錘重量為40N。單晶爐提拉系統(tǒng)的有限元模型如圖3所示。

表1 材料特性參數(shù)表

表2 擺錘重13.8kg時的固有頻率

表3 擺錘重13.9kg時的固有頻率

表4 擺錘重14.0 kg時的固有頻率

表5 擺錘重15.0 kg時的固有頻率

表6 擺錘重16.0 kg時的固有頻率

圖3 提拉系統(tǒng)有限元模型

3 提拉系統(tǒng)模態(tài)分析

模態(tài)分析技術(shù)是結(jié)構(gòu)動態(tài)分析重要的一門工程技術(shù)，通過對單晶爐提拉系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)，從而分析結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。

單晶硅生長過程主要有熔料、熔接、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑、收尾七個階段。在引晶階段，把高純度的多晶硅原料放入石英鍋，通過石墨加熱器將其熔化，對熔化的硅液稍作降溫后，再將一根固定在旋轉(zhuǎn)籽晶軸（軟軸）上的單晶硅體（擺錘）浸入硅熔體表面，等到籽晶與熔體完全熔合后，沿豎直方向旋轉(zhuǎn)且緩慢提拉擺錘，在擺錘下端生長一段細(xì)頸晶體。在這一階段，當(dāng)提拉系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速接近13r/min～14r/min范圍

時出現(xiàn)晃動，直接影響了生長晶體的質(zhì)量，本文試圖通過對不同長度軟軸和不同質(zhì)量擺錘的模態(tài)分析，找出避免提拉系統(tǒng)晃動的軟軸長度及擺錘重量的范圍。

3.1 擺錘（籽晶）質(zhì)量的變化對提拉系統(tǒng)固有頻率的影響

在分析擺錘（籽晶）質(zhì)量的變化對提拉系統(tǒng)固有頻率影響時，假定軟軸的長度為2.4m及其它條件不變。采用精度高、速度快的ANSYS軟件的LANCZOS法計算系統(tǒng)的固有頻率。由振動理論知[3][4]，遠(yuǎn)離振源頻帶的模態(tài)對結(jié)構(gòu)的實際振動影響貢獻(xiàn)量較小，結(jié)構(gòu)的振動可由每階固有振型的線性組合表示，其中低階固有振型較高階固有振型對結(jié)構(gòu)的振動影響較大，低階振型對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性起決定作用。因此，在計算提拉系統(tǒng)固有頻率時提取了該系統(tǒng)在4種載荷下的前3階固有頻率，見表2 ～ 表6。

表7 軟軸為2.4m時的固有頻率

表8 軟軸為1.8m時的固有頻率

表9 軟軸為1.3m時的固有頻率

表10 軟軸為1.2m時的固有頻率

圖4 提拉系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速和擺錘質(zhì)量的關(guān)系

由有限元分析可以得到不同擺錘質(zhì)量下提拉系統(tǒng)一階固有頻率對應(yīng)的提拉系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速(n=60f)，擺錘質(zhì)量與提拉系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系見圖4。

從圖4看出，隨著擺錘質(zhì)量的增加，對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速提高；當(dāng)擺錘在15～16kg之間變化時，對應(yīng)提拉系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速變化不是很大；擺錘質(zhì)量在13.8～16kg變化時，對應(yīng)提拉系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速為12.9552～13.95 r/min，非常接近單晶爐在實際工作過程中提拉系統(tǒng)擺動較大的轉(zhuǎn)速范圍（13～14r/min）。因此，擺錘的質(zhì)量變化有可能是影響提拉系統(tǒng)晃動的一個因素，當(dāng)軟軸長度為2.4m時，擺錘質(zhì)量應(yīng)避開13.8～16kg。

3.2 軟軸的長度變化對提拉系統(tǒng)固有頻率的影響

在分析軟軸的長度變化對提拉系統(tǒng)的固有頻率的影響時，假定擺錘質(zhì)量為4kg，其它條件不變，分別求出軟軸長為2.4m、1.8m、1.3m、1.2m和1m時提拉系統(tǒng)前三階固有頻率，見表7～表11。

由有限元分析得到的不同軟軸長度提拉系統(tǒng)的一階固有頻率對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速見表12。

表11 軟軸為1m時的固有頻率

從表12看到，軟軸長度在大于1.8m和小于1.0m時提拉系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速較小，遠(yuǎn)離單晶爐工作過程中提拉系統(tǒng)晃動的轉(zhuǎn)速13～14r/min；當(dāng)軟軸長度在1.2m～1.3m時，提拉系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速為13.9518～12.984r/min，非常接近提拉系統(tǒng)晃動較大時的轉(zhuǎn)速范圍。因此，單晶爐在實際生產(chǎn)中，當(dāng)擺錘質(zhì)量為4kg時，軟軸長度應(yīng)避開1.2～1.3m范圍。

4 結(jié)論

從單晶爐的實際拉晶過程中發(fā)現(xiàn)，在單晶硅生長的引晶階段，當(dāng)單晶爐提拉系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速處于13～14r/ min范圍時，系統(tǒng)發(fā)生較大晃動，影響了單晶的質(zhì)量。通過對單晶爐提拉系統(tǒng)進(jìn)行不同擺錘質(zhì)量和不同軟軸

表12 軟軸長度與提拉系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速關(guān)系

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白艷霞（1985-），女，陜西榆林，云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，工學(xué)碩士，研究方向為制造系統(tǒng)建模與分析。

科研課題：本文系云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015年度青年骨干教師科研課題“基于ANSYS軟軸型單晶爐提拉系統(tǒng)有限元分析”研究成果, 課題編號：2015QN24。