Termovälja kujundus SiC ühekristalli kasvatamiseks

1 Soojusvälja disaini tähtsus SIC üksikute kristallide kasvu seadmetes

SiC monokristall on oluline pooljuhtmaterjal, mida kasutatakse laialdaselt jõuelektroonikas, optoelektroonikas ja kõrgtemperatuurilistes rakendustes. Soojusvälja disain mõjutab otseselt kristalli kristalliseerumiskäitumist, ühtlust ja lisandite kontrolli ning sellel on otsustav mõju SiC monokristallide kasvatamise seadmete jõudlusele ja väljundile. SiC monokristalli kvaliteet mõjutab otseselt selle jõudlust ja töökindlust seadme valmistamisel. Termovälja ratsionaalse disainiga on võimalik saavutada kristallide kasvu ajal temperatuurijaotuse ühtlus, vältida termilist pinget ja termilist gradienti kristallis, vähendades seeläbi kristallide defektide teket. Optimeeritud soojusvälja disain võib parandada ka kristalli pinna kvaliteeti ja kristalliseerumiskiirust, parandada veelgi kristalli struktuurilist terviklikkust ja keemilist puhtust ning tagada, et kasvatatud SiC monokristallidel on head elektrilised ja optilised omadused.

SIC üksikkristalli kasvutempo mõjutab otseselt tootmiskulusid ja mahutavust. Termovälja ratsionaalselt kavandades saab optimeerida temperatuurigradiendi ja soojusvoogude jaotust kristallide kasvuprotsessi ajal ning parandada kristalli kasvukiirust ja kasvupindala efektiivset kasutuskiirust. Termiline välja disain võib vähendada ka energiakadu ja materiaalseid jäätmeid kasvuprotsessi ajal, vähendada tootmiskulusid ja parandada tootmise tõhusust, suurendades seeläbi SIC -i üksikkristallide väljundit. SIC -i üksikute kristallide kasvu seadmed nõuavad tavaliselt palju energiavarustust ja jahutussüsteemi ning soojusvälja mõistlik kavandamine võib vähendada energiatarbimist, vähendada energiatarbimist ja keskkonnaheiteid. Termilise välja struktuuri ja soojusvoogu optimeerides saab energiat maksimeerida ning jäätmeküttimist saab ringlusse võtta, et parandada energiatõhusust ja vähendada negatiivset mõju keskkonnale.

2 raskust SIC -i üksikute kristallide kasvuseadmete termilisel kujundamisel

2.1 Materjalide soojusjuhtivuse ebaühtlus

SIC on väga oluline pooljuhtmaterjal. Selle soojusjuhtivusel on kõrge temperatuuri stabiilsuse ja suurepärase soojusjuhtivuse omadused, kuid soojusjuhtivuse jaotumisel on teatav ebaühtlane. SIC -i üksikute kristallide kasvu protsessis tuleb kristallide kasvu ühtluse ja kvaliteedi tagamiseks termilist välja täpselt kontrollida. SIC-materjalide soojusjuhtivuse ebaühtlus põhjustab termilise välja jaotuse ebastabiilsust, mis omakorda mõjutab kristallide kasvu ühtlust ja kvaliteeti. SIC üksikute kristallide kasvu seadmed kasutavad tavaliselt füüsilise aurude sadestumise (PVT) meetodit või gaasifaasi transpordi meetodit, mis nõuab kasvukambris kõrge temperatuuri keskkonna säilitamist ja kristallide kasvu realiseerimist, kontrollides täpselt temperatuuri jaotust. SIC-materjalide soojusjuhtivuse ebaühtlus põhjustab kasvukambris ebaühtlase temperatuuri jaotust, mõjutades seeläbi kristallide kasvuprotsessi, mis võib põhjustada kristallidefekte või ebaühtlast kristallkvaliteeti. SIC-i üksikkristallide kasvu ajal on vaja teha termilise välja kolmemõõtmelist dünaamilist simulatsiooni ja analüüsi, et paremini mõista temperatuuri jaotuse muutuvat seadust ja optimeerida disaini simulatsiooni tulemuste põhjal. SIC-materjalide soojusjuhtivuse ebaühtluse tõttu võib neid simulatsioonianalüüse mõjutada teatav vea, mõjutades seega soojusvälja täpset kontrolli ja optimeerimise kavandamist.

2.2 Konvektsiooniregulatsiooni raskus seadme sees

SiC monokristallide kasvamise ajal tuleb kristallide ühtluse ja puhtuse tagamiseks säilitada range temperatuuri kontroll. Konvektsiooninähtus seadme sees võib põhjustada temperatuurivälja ebaühtlust, mõjutades seeläbi kristallide kvaliteeti. Konvektsioon moodustab tavaliselt temperatuurigradiendi, mille tulemusena tekib kristalli pinnal ebaühtlane struktuur, mis omakorda mõjutab kristallide jõudlust ja rakendust. Hea konvektsioonijuhtimine võib reguleerida gaasivoolu kiirust ja suunda, mis aitab vähendada kristalli pinna ebaühtlust ja parandada kasvu efektiivsust. Seadmesisene keeruline geomeetriline struktuur ja gaasidünaamika protsess muudavad konvektsiooni täpse juhtimise äärmiselt keeruliseks. Kõrge temperatuuriga keskkond vähendab soojusülekande efektiivsust ja suurendab temperatuurigradiendi moodustumist seadmete sees, mõjutades seega kristallide kasvu ühtlust ja kvaliteeti. Mõned söövitavad gaasid võivad mõjutada seadme sees olevaid materjale ja soojusülekandeelemente, mõjutades seeläbi konvektsiooni stabiilsust ja juhitavust. SiC monokristallide kasvatamise seadmetel on tavaliselt keeruline struktuur ja mitu soojusülekandemehhanismi, nagu kiirgussoojusülekanne, konvektsioonsoojusülekanne ja soojusjuhtivus. Need soojusülekandemehhanismid on omavahel ühendatud, muutes konvektsiooni reguleerimise keerulisemaks, eriti kui seadme sees on mitmefaasilised voolu- ja faasimuutused, on konvektsiooni täpsem modelleerimine ja juhtimine keerulisem.

3 SiC monokristallide kasvuseadmete termilise välja kujundamise põhipunktid

3.1 Küttevõimsuse jaotus ja kontroll

Termilise välja kujundamisel tuleks kuumutamisvõimsuse jaotusrežiim ja juhtimisstrateegia kindlaks määrata vastavalt protsessi parameetritele ja kristallide kasvu nõuetele. SIC üksikute kristallide kasvu seadmed kasutavad kuumutamiseks grafiidi kuumutusvardasid või induktsioonisoojendeid. Soojusvälja ühtlust ja stabiilsust saab saavutada küttekeha paigutuse ja energiajaotuse kavandamisega. SIC üksikute kristallide kasvu ajal mõjutab temperatuuri ühtlus olulist mõju kristalli kvaliteedile. Küttevõimsuse jaotus peaks suutma tagada temperatuuri ühtluse soojusväljal. Numbrilise simulatsiooni ja eksperimentaalse kontrollimise kaudu saab kindlaks määrata kuumutamisvõimsuse ja temperatuurijaotuse vahelise seose ning seejärel saab kuumutamisvõimsuse jaotuse skeemi optimeerida, et muuta temperatuuri jaotus termoväljal ühtlasemaks ja stabiilsemaks. SIC -i üksikute kristallide kasvu ajal peaks kuumutamisvõimsuse kontrollimine olema võimeline saavutama temperatuuri täpset regulatsiooni ja stabiilset kontrolli. Automaatseid juhtimisalgoritme, näiteks PID-kontrollerit või hägust kontrollerit saab kasutada küttevõimsuse suletud ahela juhtimise saavutamiseks, tuginedes temperatuurianduritele tagasi, et tagada temperatuuri stabiilsus ja ühtlus soojusväljal. SIC üksikute kristallide kasvu ajal mõjutab kuumutusvõimsuse suurus otseselt kristallide kasvukiirust. Küttejõu kontroll peaks olema võimeline saavutama kristallide kasvukiiruse täpset reguleerimist. Kuumutusjõu ja kristallide kasvukiiruse vahelise seose analüüsimisel ja eksperimentaalselt kontrollides saab määrata mõistliku kuumutusvõimsuse juhtimise strateegia kristallide kasvukiiruse täpse kontrolli saavutamiseks. SIC -i üksikute kristallide kasvu seadmete toimimise ajal mõjutab kuumutusvõimsuse stabiilsus olulist mõju kristallide kasvu kvaliteedile. Küttejõu stabiilsuse ja usaldusväärsuse tagamiseks on vaja stabiilseid ja usaldusväärseid kütteseadmeid ja juhtimissüsteeme. Kütteseadmeid tuleb regulaarselt hooldada ja hooldada, et õigeaegselt avastada ja lahendada kütteseadmete rikkeid ja probleeme, et tagada seadme normaalne töö ja küttejõu stabiilne väljund. Kuumutamise võimsuse jaotuse skeemi ratsionaalselt kavandades, võttes arvesse kuumutamisvõimsuse ja temperatuurijaotuse vahelist seost, realiseerides kuumutamisvõimsuse täpset kontrolli ning tagades kuumutamisvõimsuse stabiilsuse ja usaldusväärsuse, võivad SIC -i üksikute kristallide kasvu seadmete kasvuefektiivsuse ja kristallkvaliteedi olla Tõhusalt paranenud ning SIC üksikute kristallide kasvutehnoloogia edenemist ja arengut saab edendada.

3.2 Temperatuuri juhtimissüsteemi kujundamine ja reguleerimine

Enne temperatuuri juhtimissüsteemi kavandamist on vaja numbrilist simulatsioonianalüüsi, et simuleerida ja arvutada soojusülekandeprotsesse nagu soojusjuhtivus, konvektsioon ja kiirgus SIC üksikute kristallide kasvu ajal, et saada temperatuurivälja jaotus. Eksperimentaalse kontrollimise kaudu korrigeeritakse ja reguleeritakse numbrilisi simulatsiooni tulemusi, et määrata temperatuuri juhtimissüsteemi konstruktsiooniparameetrid, näiteks kuumutamisvõimsus, kuumutamisala paigutus ja temperatuurianduri asukoht. SIC üksikute kristallide kasvu ajal kasutatakse tavaliselt kuumutamiseks resistentsuse kuumutamist või induktsiooni kuumutamist. On vaja valida sobiv kütteelement. Takistuse kuumutamiseks võib kütteelemendiks valida kõrge temperatuuriga takistusraadi või takistusahju; Induktsiooni kuumutamiseks tuleb valida sobiv induktsiooni soojendusmähised või induktsiooni kütteplaat. Kütteelemendi valimisel tuleb kaaluda selliseid tegureid nagu soojendamise efektiivsus, kuumutamise ühtlus, kõrge temperatuuri vastupidavus ja termilise välja stabiilsuse mõju. Temperatuuri juhtimissüsteemi konstruktsioon peab arvestama mitte ainult temperatuuri stabiilsuse ja ühtlusega, vaid ka temperatuuri reguleerimise täpsuse ja reageerimise kiirusega. Temperatuuri täpse kontrolli ja reguleerimise saavutamiseks on vaja kavandada mõistlik temperatuurikontrolli strateegia, näiteks PID -juhtimine, hägune juhtimine või närvivõrgu juhtimine. Samuti on vaja kavandada sobiv temperatuuri reguleerimisskeem, näiteks mitmepunktilise ühenduse reguleerimine, kohaliku kompensatsiooni korrigeerimine või tagasiside reguleerimine, et tagada kogu soojusvälja ühtlane ja stabiilne temperatuurijaotus. Temperatuuri täpse jälgimise ja juhtimise realiseerimiseks SIC üksikute kristallide kasvu ajal on vaja kasutada täiustatud temperatuuride sensatsioonitehnoloogiat ja kontrolleri seadmeid. Saate valida ülitäpsed temperatuuriandurid, näiteks termopaarid, termilised takistid või infrapunatermomeetrid, et jälgida temperatuuri muutusi igas piirkonnas reaalajas, ja valida suure jõudlusega temperatuurikontrolleri seadmed, näiteks PLC-kontroller (vt joonis 1) või DSP-kontroller , kütteelementide täpse kontrolli ja reguleerimise saavutamiseks. Määrates numbrilise simulatsiooni ja eksperimentaalsete kontrollimismeetodite põhjal kujundusparameetrid, valides sobivate küttemeetodite ja kütteelementide, mõistlike temperatuurikontrolli strateegiate ja kohanemisskeemide kavandamise ning täiustatud temperatuuride sensoride ja kontrolleri seadmete abil saate tõhusalt saavutada täpse kontrolli ja kohandamise. Temperatuur SIC üksikkristallide kasvu ajal ning parandab üksikkristallide kvaliteeti ja saaki.

3.3 Arvutuslik vedeliku dünaamika simulatsioon

Täpse mudeli loomine on arvutusliku vedeliku dünaamika (CFD) simulatsiooni alus. SIC üksikute kristallide kasvu seadmed koosnevad tavaliselt grafiidist ahjust, induktsioonküttesüsteemist, tiiglist, kaitsegaasi jne ja materiaalse liikumise mõju vooluväljale. Kolmemõõtmelist modelleerimist kasutatakse ahju, tiigli, induktsioonimähise jms geomeetriliste kujude täpseks rekonstrueerimiseks ning kaaluda materjali termilisi füüsikalisi parameetreid ja piiritingimusi, näiteks soojendusjõud ja gaasi voolukiirus.

CFD simulatsioonis hõlmavad tavaliselt kasutatavad numbrilised meetodid piiratud mahu meetodit (FVM) ja lõplike elementide meetodit (FEM). SIC üksikute kristallide kasvu seadmete omadusi silmas pidades kasutatakse FVM -meetodit tavaliselt vedeliku voolu ja soojusjuhtivuse võrrandite lahendamiseks. Võrgusisalduse osas on simulatsiooni tulemuste täpsuse tagamiseks vaja pöörata tähelepanu põhipiirkondade, näiteks grafiidi tiigli pind ja ühekristallide kasvupindala. SIC -ühekristallide kasvuprotsess hõlmab mitmesuguseid füüsilisi protsesse, näiteks soojusjuhtivus, kiirguse soojusülekanne, vedeliku liikumine jne. Tegeliku olukorra kohaselt valitakse simulatsiooniks sobivad füüsilised mudelid ja piiritingimused. Näiteks arvestades soojusjuhtivuse ja kiirguse soojusülekannet grafiidi tiigli ja sic -ühekristalli vahel, tuleb seada sobivad soojusülekande piiritingimused; Arvestades induktsiooni kuumutamise mõju vedeliku liikumisele, tuleb kaaluda induktsiooni kuumutamisjõu piirtingimusi.

Enne CFD simulatsiooni on vaja määrata simulatsiooni aja samm, konvergentsi kriteeriumid ja muud parameetrid ning teha arvutused. Simulatsiooniprotsessi käigus on vaja pidevalt parameetreid kohandada, et tagada simulatsiooni tulemuste stabiilsus ja ühtlustumine ning simulatsiooni tulemuste, nagu temperatuurivälja jaotus, vedeliku kiiruse jaotus jne, järeltöötlus edasiseks analüüsiks ja optimeerimiseks. . Simulatsiooni tulemuste täpsust kontrollitakse, võrreldes temperatuurivälja jaotuse, monokristalli kvaliteedi ja muude tegeliku kasvuprotsessi andmetega. Simulatsioonitulemuste kohaselt on ahju struktuur, küttemeetod ja muud aspektid optimeeritud, et parandada SiC monokristallide kasvuseadmete kasvutõhusust ja monokristallide kvaliteeti. SiC monokristallide kasvuseadmete termilise välja disaini CFD-simulatsioon hõlmab täpsete mudelite loomist, sobivate numbriliste meetodite ja võrkude valimist, füüsiliste mudelite ja piirtingimuste määramist, simulatsiooniparameetrite seadmist ja arvutamist ning simulatsioonitulemuste kontrollimist ja optimeerimist. Teaduslik ja mõistlik CFD-simulatsioon võib pakkuda olulisi viiteid ränikarbiidi monokristallide kasvatamise seadmete kavandamiseks ja optimeerimiseks ning parandada kasvu efektiivsust ja monokristallide kvaliteeti.

3.4 Ahju konstruktsiooni projekteerimine

Arvestades, et ränikarbiidi monokristallide kasvatamiseks on vaja kõrget temperatuuri, keemilist inertsust ja head soojusjuhtivust, tuleks ahju korpuse materjal valida kõrge temperatuuri ja korrosioonikindlate materjalide hulgast, nagu ränikarbiidkeraamika (SiC), grafiit jne. SiC materjalil on suurepärane omadus. kõrge temperatuuri stabiilsus ja keemiline inertsus ning see on ideaalne ahju korpuse materjal. Ahju korpuse siseseina pind peaks olema sile ja ühtlane, et vähendada soojuskiirguse ja soojusülekande takistust ning parandada soojusvälja stabiilsust. Ahju struktuuri tuleks võimalikult palju lihtsustada, kasutades vähem konstruktsioonikihte, et vältida termilise pinge kontsentratsiooni ja liigset temperatuurigradienti. Tavaliselt kasutatakse soojusvälja ühtlase jaotuse ja stabiilsuse hõlbustamiseks silindrilist või ristkülikukujulist struktuuri. Täiendavad kütteelemendid, nagu küttespiraalid ja takistid, on paigaldatud ahju sisse, et parandada temperatuuri ühtlust ja soojusvälja stabiilsust ning tagada monokristallide kasvu kvaliteet ja tõhusus. Levinud küttemeetodid hõlmavad induktsioonkuumutamist, takistuskütet ja kiirguskütet. SiC monokristallide kasvatamise seadmetes kasutatakse sageli induktsioonkuumutuse ja takistuskuumutuse kombinatsiooni. Induktsioonkuumutamist kasutatakse peamiselt kiireks kuumutamiseks, et parandada temperatuuri ühtlust ja soojusvälja stabiilsust; takistuskuumutust kasutatakse püsiva temperatuuri ja temperatuurigradiendi hoidmiseks, et säilitada kasvuprotsessi stabiilsus. Kiirgusküte võib parandada temperatuuri ühtlust ahju sees, kuid tavaliselt kasutatakse seda abiküttemeetodina.

4 Järeldus

Seoses kasvava nõudlusega ränikarbiidi materjalide järele jõuelektroonikas, optoelektroonikas ja muudes valdkondades muutub ränikarbiidi monokristallide kasvutehnoloogia arendamine teaduse ja tehnoloogilise innovatsiooni võtmevaldkonnaks. SiC monokristallide kasvatamise seadmete tuumana pööratakse soojusvälja disainile jätkuvalt laialdast tähelepanu ja põhjalikku uurimistööd. Tulevased arengusuunad hõlmavad soojusvälja struktuuri ja juhtimissüsteemi edasist optimeerimist, et parandada tootmise efektiivsust ja monokristallide kvaliteeti; uute materjalide ja töötlemistehnoloogia uurimine, et parandada seadmete stabiilsust ja vastupidavust; ja intelligentse tehnoloogia integreerimine, et saavutada seadmete automaatne juhtimine ja kaugseire.