Дизайн на термично поле за растеж на монокристали SiC

1 Значение на дизайна на термично поле в оборудването за растеж на единичен кристал SIC

SIC единичен кристал е важен полупроводник, който се използва широко в електрониката, оптоелектрониката и приложенията с висока температура. Дизайнът на термичното поле влияе пряко върху поведението на кристализацията, еднообразието и контрола на примесната примес на кристала и оказва решаващо влияние върху работата и продукцията на оборудването за растеж на единични кристали на SIC. Качеството на SIC единичен кристал директно влияе върху неговата производителност и надеждност при производството на устройства. Чрез рационално проектиране на топлинното поле може да се постигне равномерност на разпределението на температурата по време на растежа на кристалите, може да се избегне термичен стрес и топлинен градиент в кристала, като по този начин се намали скоростта на образуване на дефекти на кристалите. Оптимизираният дизайн на термично поле може също да подобри качеството на кристално лице и скоростта на кристализация, като допълнително подобри структурната цялост и химическата чистота на кристала и гарантира, че отглежданият SIC единичен кристал има добри електрически и оптични свойства.

Темпът на растеж на SIC единичен кристал пряко влияе върху производствените разходи и капацитет. Чрез рационално проектиране на топлинното поле може да се оптимизира градиентът на температурата и топлинния поток по време на процеса на растеж на кристалите и скоростта на растеж на кристала и ефективната скорост на използване на зоната на растеж могат да бъдат подобрени. Дизайнът на топлинното поле може също да намали загубата на енергия и материалните отпадъци по време на процеса на растеж, да намали производствените разходи и да подобри ефективността на производството, като по този начин ще увеличи продукцията на SIC единични кристали. Оборудването за растеж на единични кристали на SIC обикновено изисква голямо количество система за доставка и охлаждане на енергия, а рационално проектирането на топлинното поле може да намали потреблението на енергия, да намали консумацията на енергия и емисиите на околната среда. Чрез оптимизиране на структурата на термичното поле и пътя на топлинния поток, енергията може да бъде максимална и отпадъчната топлина може да се рециклира, за да се подобри енергийната ефективност и да се намали отрицателните въздействия върху околната среда.

2 Трудности в термичното поле за проектиране на оборудване за растеж на единичен кристал SIC

2.1 Неравномерност на топлинната проводимост на материалите

SiC е много важен полупроводников материал. Неговата топлопроводимост има характеристиките на висока температурна стабилност и отлична топлопроводимост, но разпределението на топлопроводимостта има известна неравномерност. В процеса на монокристален растеж на SiC, за да се осигури равномерност и качество на растежа на кристалите, термичното поле трябва да бъде прецизно контролирано. Неравномерността на топлопроводимостта на SiC материалите ще доведе до нестабилност на разпределението на термичното поле, което от своя страна влияе върху равномерността и качеството на растежа на кристалите. Оборудването за растеж на монокристали SiC обикновено използва метод на физическо отлагане на пари (PVT) или метод за транспортиране на газова фаза, което изисква поддържане на среда с висока температура в камерата за растеж и реализиране на растеж на кристали чрез прецизен контрол на разпределението на температурата. Неравномерността на топлопроводимостта на SiC материалите ще доведе до неравномерно разпределение на температурата в камерата за растеж, като по този начин ще повлияе на процеса на растеж на кристалите, което може да причини кристални дефекти или неравномерно качество на кристалите. По време на растежа на монокристалите SiC е необходимо да се извърши триизмерна динамична симулация и анализ на топлинното поле, за да се разбере по-добре променящият се закон на разпределение на температурата и да се оптимизира дизайнът въз основа на резултатите от симулацията. Поради неравномерността на топлопроводимостта на SiC материалите, тези симулационни анализи могат да бъдат повлияни от определена степен на грешка, като по този начин се повлияе на прецизния контрол и оптимизация на дизайна на топлинното поле.

2.2 Трудност при регулиране на конвекцията вътре в оборудването

По време на растежа на SIC единични кристали трябва да се поддържа строг контрол на температурата, за да се гарантира равномерността и чистотата на кристалите. Феноменът на конвекцията вътре в оборудването може да причини нееднастта на температурното поле, като по този начин се отрази на качеството на кристалите. Конвекцията обикновено образува температурен градиент, което води до нееднаква структура на кристалната повърхност, което от своя страна влияе върху работата и прилагането на кристалите. Добрият контрол на конвекцията може да регулира скоростта и посоката на потока на газа, което помага да се намали неедността на кристалната повърхност и да се подобри ефективността на растежа. Сложната геометрична структура и динамиката на газа в рамките на оборудването затрудняват точното контролиране на конвекцията. Високотемпературната среда ще доведе до намаляване на ефективността на топлопреминаването и ще увеличи образуването на температурен градиент вътре в оборудването, като по този начин ще се отрази на равномерността и качеството на растежа на кристалите. Някои корозивни газове могат да повлияят на материалите и елементите за пренос на топлина вътре в оборудването, като по този начин влияят на стабилността и контролируемостта на конвекцията. Оборудването за растеж на единични кристали на SIC обикновено има сложна структура и множество механизми за пренос на топлина, като радиационен пренос на топлина, пренос на топлина и топлопроводимост. Тези механизми за пренос на топлина са съчетани помежду си, което прави регулирането на конвекцията по -сложно, особено когато има многофункционални процеси на смяна на фазата вътре в оборудването, е по -трудно да се моделира точно и да контролира конвекцията.

3 Ключови точки на проектиране на термично поле на оборудване за растеж на монокристали SiC

3.1 Разпределение и контрол

При проектирането на термично поле, режимът на разпределение и стратегията за контрол на топлинната мощност трябва да се определят в съответствие с параметрите на процеса и изискванията за растеж на кристали. Оборудването за отглеждане на монокристали SiC използва за нагряване графитни нагревателни пръти или индукционни нагреватели. Еднородността и стабилността на топлинното поле може да се постигне чрез проектиране на разположението и разпределението на мощността на нагревателя. По време на растежа на монокристалите SiC еднородността на температурата има важно влияние върху качеството на кристала. Разпределението на топлинната мощност трябва да може да осигури еднаквост на температурата в топлинното поле. Чрез числена симулация и експериментална проверка може да се определи връзката между топлинната мощност и разпределението на температурата и след това схемата за разпределение на топлинната мощност може да бъде оптимизирана, за да направи разпределението на температурата в топлинното поле по-равномерно и стабилно. По време на растежа на монокристалите SiC контролът на мощността на нагряване трябва да може да постигне прецизно регулиране и стабилен контрол на температурата. Алгоритми за автоматично управление, като PID контролер или размит контролер, могат да се използват за постигане на затворен цикъл на управление на топлинната мощност въз основа на данни за температурата в реално време, подадени обратно от температурни сензори, за да се осигури стабилност и равномерност на температурата в термичното поле. По време на растежа на монокристалите SiC, размерът на топлинната мощност ще повлияе пряко върху скоростта на растеж на кристалите. Контролът на мощността на нагряване трябва да може да постигне прецизно регулиране на скоростта на растеж на кристалите. Чрез анализиране и експериментална проверка на връзката между мощността на нагряване и скоростта на растеж на кристалите може да се определи разумна стратегия за контрол на мощността на нагряване, за да се постигне прецизен контрол на скоростта на растеж на кристалите. По време на работата на оборудването за растеж на монокристал SiC, стабилността на топлинната мощност има важно влияние върху качеството на растежа на кристалите. Необходими са стабилни и надеждни отоплителни съоръжения и системи за управление, за да се осигури стабилност и надеждност на отоплителната мощност. Отоплителните съоръжения се нуждаят от редовна поддръжка и сервиз за своевременно откриване и отстраняване на неизправности и проблеми в отоплителните съоръжения, за да се осигури нормална работа на оборудването и стабилно отдаване на топлинна мощност. Чрез рационално проектиране на схемата за разпределение на топлинната мощност, отчитайки връзката между топлинната мощност и разпределението на температурата, реализирайки прецизен контрол на топлинната мощност и гарантирайки стабилността и надеждността на топлинната мощност, ефективността на растежа и кристалното качество на SiC монокристално оборудване за растеж може да бъде ефективно подобрени и може да се насърчи напредъкът и развитието на технологията за растеж на единичен кристал SiC.

3.2 Проектиране и настройка на системата за контрол на температурата

Преди да се проектира системата за контрол на температурата, е необходим числен симулационен анализ, за ​​да се симулира и изчисли процесите на топлопреминаване като топлинна проводимост, конвекция и радиация по време на растежа на SIC единични кристали, за да се получи разпределението на температурното поле. Чрез експериментална проверка резултатите от числената симулация се коригират и се коригират, за да се определят параметрите на дизайна на системата за контрол на температурата, като на отоплителна мощност, оформление на площта на отопление и местоположение на сензора за температура. По време на растежа на SIC единични кристали, за отопление обикновено се използва отопление на устойчивост или индукционно нагряване. Необходимо е да изберете подходящ нагревателен елемент. За отопление на устойчивост може да бъде избран високотемпературен проводник или пещ за съпротива като отоплителен елемент; За индукционно отопление трябва да се избере подходяща индукционна отоплителна намотка или индукционна отоплителна плоча. При избора на отоплителен елемент, фактори като ефективност на отопление, равномерност на отопление, висока температурна устойчивост и въздействие върху стабилността на термичното поле. Дизайнът на системата за контрол на температурата трябва да отчита не само стабилността и равномерността на температурата, но и точността на регулиране на температурата и скоростта на реакция. Необходимо е да се проектира разумна стратегия за контрол на температурата, като PID контрол, размито управление или контрол на невронната мрежа, за да се постигне точен контрол и регулиране на температурата. Необходимо е също така да се проектира подходяща схема за регулиране на температурата, като многоточкова регулиране на връзката, локална регулиране на компенсацията или регулиране на обратната връзка, за да се гарантира равномерно и стабилно разпределение на температурата на цялото термично поле. За да се реализира прецизният мониторинг и контрол на температурата по време на растежа на SIC единични кристали, е необходимо да се приеме технологията за усъвършенствана температура и оборудването на контролера. Можете да изберете сензори за температура с висока точност като термодвойки, термични резистори или инфрачервени термометри, за да наблюдавате температурните промени във всяка област в реално време и да изберете високоефективно оборудване на температурния контролер, като PLC контролер (виж фигура 1) или DSP контролер , за постигане на прецизен контрол и регулиране на нагревателните елементи. Чрез определяне на параметрите на дизайна въз основа на числени симулационни и експериментални методи за проверка, избиране на подходящи методи за отопление и елементи на отопление, проектиране на разумни стратегии за контрол на температурата и схеми за регулиране и използване на технология за усъвършенствана температура и оборудване на контролера, можете ефективно да постигнете прецизно управление и регулиране на Температурата по време на растежа на SIC единични кристали и подобряване на качеството и добива на единични кристали.

3.3 Симулация на динамиката на изчислителната течност

Създаването на точен модел е основата за симулация на изчислителната динамика на флуидите (CFD). Оборудването за растеж на монокристал SiC обикновено се състои от графитна пещ, индукционна нагряваща система, тигел, защитен газ и т.н. В процеса на моделиране е необходимо да се вземе предвид сложността на структурата на пещта, характеристиките на метода на нагряване и влиянието на движението на материала върху полето на потока. Триизмерното моделиране се използва за точно реконструиране на геометричните форми на пещта, тигела, индукционната бобина и т.н. и за разглеждане на термичните физични параметри и граничните условия на материала, като мощност на нагряване и скорост на газовия поток.

В CFD симулацията често използваните числени методи включват метода на крайния обем (FVM) и метода на крайните елементи (FEM). С оглед на характеристиките на оборудването за растеж на монокристал SiC, методът FVM обикновено се използва за решаване на уравненията за потока на флуида и топлопроводимостта. По отношение на зацепването е необходимо да се обърне внимание на подразделянето на ключови области, като повърхността на графитния тигел и зоната на растеж на единичен кристал, за да се гарантира точността на резултатите от симулацията. Процесът на растеж на SiC монокристал включва различни физични процеси, като топлопроводимост, радиационен топлопренос, движение на течности и т.н. В съответствие с действителната ситуация се избират подходящи физически модели и гранични условия за симулация. Например, като се има предвид топлопроводимостта и радиационният топлопренос между графитния тигел и монокристала SiC, трябва да се зададат подходящи гранични условия на топлопреминаване; като се има предвид влиянието на индукционното нагряване върху движението на течността, трябва да се вземат предвид граничните условия на мощността на индукционното нагряване.

Преди CFD симулация е необходимо да зададете времевата стъпка на симулацията, критериите за конвергенция и други параметри и да извършите изчисления. По време на процеса на симулация е необходимо непрекъснато да се коригират параметрите, за да се осигури стабилност и конвергенция на резултатите от симулацията, и последваща обработка на резултатите от симулацията, като разпределение на температурното поле, разпределение на скоростта на течността и т.н., за по-нататъшен анализ и оптимизация . Точността на резултатите от симулацията се проверява чрез сравняване с разпределението на температурното поле, качеството на единичния кристал и други данни в действителния процес на растеж. Според резултатите от симулацията структурата на пещта, методът на нагряване и други аспекти са оптимизирани за подобряване на ефективността на растежа и качеството на единичния кристал на оборудването за растеж на монокристален SiC. CFD симулацията на проектиране на термично поле на оборудване за растеж на монокристал SiC включва установяване на точни модели, избор на подходящи числени методи и свързване, определяне на физически модели и гранични условия, настройка и изчисляване на параметри на симулация и проверка и оптимизиране на резултатите от симулацията. Научната и разумна CFD симулация може да осигури важни референции за дизайна и оптимизирането на оборудването за растеж на монокристал SiC и да подобри ефективността на растежа и качеството на единичния кристал.

3.4 Конструкция на пещта

Като се има предвид, че растежът на единични кристали SIC изисква висока температура, химическа инертност и добра топлопроводимост, материалът на пещта трябва да бъде избран от висока температура и устойчиви на корозия материали, като например силициев карбид керамика (SIC), графит и др. SIC материал има отличен Висока температурна стабилност и химическа инертност и е идеален материал за тялото на пещта. Вътрешната повърхност на стената на тялото на пещта трябва да бъде гладка и равномерна, за да се намали термичната радиация и устойчивостта на пренос на топлина и да подобри стабилността на термичното поле. Структурата на пещта трябва да бъде опростена колкото е възможно повече, с по -малко структурни слоеве, за да се избегне концентрацията на термичен стрес и прекомерния градиент на температурата. Обикновено се използва цилиндрична или правоъгълна структура за улесняване на равномерното разпределение и стабилността на топлинното поле. Спомагателни нагревателни елементи като отоплителни бобини и резистори са поставени вътре в пещта, за да се подобри равномерността на температурата и стабилността на термичното поле и да се гарантира качеството и ефективността на растежа на единични кристали. Общите методи за нагряване включват индукционно отопление, отопление на устойчивост и радиационно отопление. В оборудването за растеж на единичен кристал SIC често се използва комбинация от индукционно отопление и отопление на устойчивост. Индукционното отопление се използва главно за бързо отопление за подобряване на равномерността на температурата и стабилността на термичното поле; Отоплението на съпротивлението се използва за поддържане на постоянен температурен градиент за поддържане на стабилността на процеса на растеж. Радиационното отопление може да подобри равномерността на температурата вътре в пещта, но обикновено се използва като метод на спомагателно отопление.

4 Заключение

С нарастващото търсене на SIC материали в електрониката, оптоелектрониката и други области, развитието на технологията за растеж на единичен кристал SIC ще се превърне в ключова област на научните и технологичните иновации. Като сърцевина на оборудването за растеж на единичен кристал SIC, дизайнът на термичното поле ще продължи да получава широко внимание и задълбочени изследвания. Бъдещите указания за развитие включват по -нататъшно оптимизиране на структурата на термичното поле и системата за управление за подобряване на ефективността на производството и качеството на единични кристали; изследване на нови материали и технология за обработка за подобряване на стабилността и издръжливостта на оборудването; и интегриране на интелигентна технология за постигане на автоматично управление и дистанционно наблюдение на оборудването.