Hőmező tervezése SiC egykristály növekedéshez

1 A termikus tér tervezésének jelentősége SiC egykristály növesztő berendezésben

A SiC egykristály fontos félvezető anyag, amelyet széles körben használnak a teljesítményelektronikában, az optoelektronikában és a magas hőmérsékletű alkalmazásokban. A termikus tér kialakítása közvetlenül befolyásolja a kristály kristályosodási viselkedését, egyenletességét és szennyeződés-szabályozását, és döntően befolyásolja a SiC egykristály-tenyésztő berendezés teljesítményét és teljesítményét. A SiC egykristály minősége közvetlenül befolyásolja teljesítményét és megbízhatóságát az eszközgyártás során. A termikus tér racionális tervezésével elérhető a hőmérséklet-eloszlás egyenletessége a kristálynövekedés során, elkerülhető a termikus stressz és a termikus gradiens a kristályban, ezáltal csökkenthető a kristályhibák kialakulásának sebessége. Az optimalizált termikus tértervezés javíthatja a kristályfelület minőségét és a kristályosodási sebességet, tovább javíthatja a kristály szerkezeti integritását és kémiai tisztaságát, és biztosítja, hogy a termesztett SiC egykristály jó elektromos és optikai tulajdonságokkal rendelkezzen.

A SiC egykristály növekedési üteme közvetlenül befolyásolja a termelési költségeket és a kapacitást. A termikus tér racionális tervezésével optimalizálható a hőmérséklet gradiens és a hőáramlás eloszlása ​​a kristálynövekedési folyamat során, és javítható a kristály növekedési sebessége és a növekedési terület effektív kihasználtsága. A termikus mező kialakítása csökkentheti az energiaveszteséget és az anyagpazarlást a növekedési folyamat során, csökkentheti a termelési költségeket és javíthatja a termelés hatékonyságát, ezáltal növelve a SiC egykristályok kibocsátását. A SiC egykristály növesztő berendezések általában nagy mennyiségű energiaellátó és hűtési rendszert igényelnek, és a termikus mező ésszerű tervezésével csökkenthető az energiafogyasztás, az energiafogyasztás és a környezeti kibocsátások. A termikus térszerkezet és a hőáramlási útvonal optimalizálásával az energia maximalizálható, a hulladékhő pedig újrahasznosítható az energiahatékonyság javítása és a környezetre gyakorolt ​​negatív hatások csökkentése érdekében.

2 Nehézségek a SiC egykristály növesztő berendezés termikus tértervezésében

2.1 Az anyagok hővezető képességének egyenetlensége

A SiC egy nagyon fontos félvezető anyag. Hővezető képessége a magas hőmérsékleti stabilitás és a kiváló hővezetőképesség jellemzőivel rendelkezik, de a hővezetőképesség-eloszlása ​​bizonyos egyenetlenséget mutat. A SiC egykristálynövekedés folyamatában a kristálynövekedés egyenletességének és minőségének biztosítása érdekében a termikus mezőt pontosan szabályozni kell. A SiC anyagok hővezető képességének egyenetlensége a termikus téreloszlás instabilitásához vezet, ami viszont befolyásolja a kristálynövekedés egyenletességét és minőségét. A szilícium-karbamid egykristály-növesztő berendezései általában fizikai gőzleválasztásos (PVT) vagy gázfázisú transzport módszert alkalmaznak, amely megköveteli a magas hőmérsékletű környezet fenntartását a növekedési kamrában, és a kristálynövekedés megvalósítását a hőmérséklet-eloszlás pontos szabályozásával. A SiC anyagok hővezető képességének egyenetlensége nem egyenletes hőmérséklet-eloszláshoz vezet a növesztőkamrában, ezáltal befolyásolja a kristálynövekedési folyamatot, ami kristályhibákat vagy nem egyenletes kristályminőséget okozhat. A SiC egykristályok növekedése során szükség van a hőtér háromdimenziós dinamikus szimulációjára és elemzésére, hogy jobban megértsük a hőmérséklet-eloszlás változó törvényét, és a szimulációs eredmények alapján optimalizáljuk a tervezést. A SiC anyagok hővezető képességének egyenetlensége miatt ezeket a szimulációs elemzéseket bizonyos fokú hiba befolyásolhatja, ami befolyásolja a hőmező pontos szabályozását és optimalizálását.

2.2 A konvekció szabályozásának nehézsége a berendezésen belül

A SiC egykristályok növekedése során szigorú hőmérséklet-szabályozást kell fenntartani a kristályok egyenletességének és tisztaságának biztosítása érdekében. A berendezésen belüli konvekciós jelenség a hőmérsékleti mező egyenetlenségét okozhatja, ami befolyásolja a kristályok minőségét. A konvekció általában hőmérsékleti gradienst hoz létre, ami egyenetlen szerkezetet eredményez a kristály felületén, ami viszont befolyásolja a kristályok teljesítményét és alkalmazását. A jó konvekciós szabályozás beállíthatja a gázáramlás sebességét és irányát, ami segít csökkenteni a kristályfelület egyenetlenségét és javítani a növekedési hatékonyságot. A berendezésen belüli bonyolult geometriai szerkezet és gázdinamikai folyamat rendkívül megnehezíti a konvekció pontos szabályozását. A magas hőmérsékletű környezet a hőátadás hatékonyságának csökkenéséhez vezet, és növeli a hőmérsékleti gradiens kialakulását a berendezésen belül, ami befolyásolja a kristálynövekedés egyenletességét és minőségét. Egyes korrozív gázok hatással lehetnek a berendezés belsejében lévő anyagokra és hőátadó elemekre, ezáltal befolyásolva a konvekció stabilitását és szabályozhatóságát. A szilícium-karbid egykristály-növesztő berendezés általában összetett szerkezettel és többféle hőátadó mechanizmussal rendelkezik, mint például a sugárzási hőátadás, a konvekciós hőátadás és a hővezetés. Ezek a hőátadó mechanizmusok egymással párosulva bonyolultabbá teszik a konvekció szabályozását, különösen akkor, ha a berendezésen belül többfázisú áramlási és fázisváltási folyamatok zajlanak, nehezebb a konvekció pontos modellezése és szabályozása.

3 A SiC egykristály növesztő berendezés termikus tértervezésének kulcspontjai

3.1 Fűtési teljesítmény elosztása és szabályozása

A termikus tér tervezésénél a fűtési teljesítmény elosztási módját és szabályozási stratégiáját a folyamat paraméterei és a kristálynövekedés követelményei szerint kell meghatározni. A SiC egykristály növesztő berendezés grafit fűtőrudakat vagy indukciós fűtőtesteket használ a fűtéshez. A hőtér egyenletessége és stabilitása a fűtőberendezés elrendezésének és teljesítményelosztásának megtervezésével érhető el. A SiC egykristályok növekedése során a hőmérséklet egyenletessége jelentős hatással van a kristály minőségére. A fűtési teljesítmény elosztásának biztosítania kell a hőmérséklet egyenletességét a termikus térben. Numerikus szimulációval és kísérleti igazolással meghatározható a fűtési teljesítmény és a hőmérséklet eloszlás közötti kapcsolat, majd a fűtési teljesítmény eloszlási séma optimalizálható, hogy a hőmezőben egyenletesebb és stabilabb legyen a hőmérséklet eloszlás. A SiC egykristályok növekedése során a fűtési teljesítmény szabályozásának lehetővé kell tennie a pontos szabályozást és a hőmérséklet stabil szabályozását. Automatikus vezérlési algoritmusok, mint például a PID szabályozó vagy a fuzzy szabályozó használható a fűtési teljesítmény zárt hurkú szabályozására a hőmérséklet-érzékelők által visszacsatolt valós idejű hőmérsékleti adatok alapján, hogy biztosítsák a hőmérséklet stabilitását és egyenletességét a termikus mezőben. A SiC egykristályok növekedése során a fűtőteljesítmény nagysága közvetlenül befolyásolja a kristálynövekedés sebességét. A fűtési teljesítmény szabályozásának lehetővé kell tennie a kristálynövekedési sebesség pontos szabályozását. A fűtőteljesítmény és a kristálynövekedési sebesség közötti kapcsolat elemzésével és kísérleti ellenőrzésével ésszerű fűtési teljesítményszabályozási stratégia határozható meg a kristálynövekedési sebesség pontos szabályozása érdekében. A SiC egykristály növesztő berendezés működése során a fűtőteljesítmény stabilitása fontos hatással van a kristálynövekedés minőségére. A fűtőteljesítmény stabilitásának és megbízhatóságának biztosításához stabil és megbízható fűtőberendezésekre és vezérlőrendszerekre van szükség. A fűtőberendezéseket rendszeresen karbantartani és karbantartani kell, hogy a fűtőberendezések hibáit és problémáit időben feltárják és megoldják, biztosítva a berendezés normál működését és a stabil fűtési teljesítményt. A fűtőteljesítmény-elosztási séma racionális megtervezésével, a fűtési teljesítmény és a hőmérséklet-eloszlás kapcsolatának figyelembevételével, a fűtőteljesítmény precíz szabályozásával, valamint a fűtőteljesítmény stabilitásának és megbízhatóságának biztosításával a SiC egykristály növesztő berendezés növekedési hatékonysága és kristályminősége javítható. hatékonyan javítható, és elősegíthető a SiC egykristály-növekedési technológia előrehaladása és fejlesztése.

3.2 Hőmérséklet-szabályozó rendszer tervezése és beállítása

A hőmérséklet-szabályozó rendszer tervezése előtt numerikus szimulációs elemzésre van szükség a hőátadási folyamatok, például a hővezetés, a konvekció és a sugárzás szimulálásához és kiszámításához a SiC egykristályok növekedése során, hogy megkapjuk a hőmérsékleti mező eloszlását. Kísérleti ellenőrzéssel a numerikus szimulációs eredményeket korrigálják és módosítják, hogy meghatározzák a hőmérséklet-szabályozó rendszer tervezési paramétereit, mint például a fűtési teljesítmény, a fűtőterület elrendezése és a hőmérséklet-érzékelő elhelyezkedése. A SiC egykristályok növekedése során általában ellenállásfűtést vagy indukciós fűtést alkalmaznak fűtésre. Szükséges a megfelelő fűtőelem kiválasztása. Ellenállásfűtéshez fűtőelemként magas hőmérsékletű ellenálláshuzal vagy ellenálláskemencés választható; indukciós fűtéshez megfelelő indukciós fűtőtekercset vagy indukciós fűtőlapot kell kiválasztani. A fűtőelem kiválasztásakor olyan tényezőket kell figyelembe venni, mint a fűtési hatékonyság, a fűtés egyenletessége, a magas hőmérsékleti ellenállás és a hőtér stabilitására gyakorolt ​​hatás. A hőmérséklet-szabályozó rendszer tervezésénél nem csak a hőmérséklet stabilitását és egyenletességét kell figyelembe venni, hanem a hőmérséklet beállítási pontosságát és válaszsebességét is. A hőmérséklet pontos szabályozásához és beállításához ésszerű hőmérsékletszabályozási stratégiát kell megtervezni, mint például a PID szabályozás, a fuzzy szabályozás vagy a neurális hálózati vezérlés. Megfelelő hőmérséklet-beállítási sémát is meg kell tervezni, mint például a többpontos kapcsolási állítás, a helyi kompenzációs beállítás vagy a visszacsatolás beállítás, hogy biztosítsuk a teljes hőmező egyenletes és stabil hőmérséklet-eloszlását. Annak érdekében, hogy a SiC egykristályok növekedése során a hőmérséklet precíz monitorozása és szabályozása megvalósítható legyen, fejlett hőmérsékletérzékelő technológia és vezérlőberendezések alkalmazása szükséges. Választhat nagy pontosságú hőmérséklet-érzékelőket, például hőelemeket, hőellenállásokat vagy infravörös hőmérőket az egyes területek hőmérséklet-változásainak valós idejű monitorozására, és választhat nagy teljesítményű hőmérséklet-szabályozó berendezéseket, például PLC vezérlőt (lásd 1. ábra) vagy DSP vezérlőt. , a fűtőelemek pontos szabályozása és beállítása érdekében. A tervezési paraméterek numerikus szimulációs és kísérleti ellenőrzési módszereken alapuló meghatározásával, a megfelelő fűtési módok és fűtőelemek kiválasztásával, ésszerű hőmérséklet-szabályozási stratégiák és beállítási sémák tervezésével, valamint fejlett hőmérsékletérzékelő technológia és vezérlőberendezések használatával hatékonyan érheti el a precíz szabályozást és beállítást. a hőmérsékletet a SiC egykristályok növekedése során, és javítja az egykristályok minőségét és hozamát.

3.3 Számítógépes folyadékdinamikai szimuláció

A pontos modell felállítása a számítási folyadékdinamikai (CFD) szimuláció alapja. A SiC egykristály növesztő berendezés általában grafitkemencéből, indukciós fűtőrendszerből, tégelyből, védőgázból stb. áll. A modellezés során figyelembe kell venni a kemence szerkezetének összetettségét, a fűtési mód jellemzőit. , és az anyagmozgás hatása az áramlási mezőre. A háromdimenziós modellezés segítségével pontosan rekonstruálható a kemence, tégely, indukciós tekercs stb. geometriai alakja, és figyelembe veszik az anyag termikus fizikai paramétereit és peremfeltételeit, mint például a fűtőteljesítményt és a gázáramlási sebességet.

A CFD szimulációban az általánosan használt numerikus módszerek közé tartozik a véges térfogat módszer (FVM) és a végeselem módszer (FEM). Tekintettel a SiC egykristály-növesztő berendezés jellemzőire, az FVM módszert általában a folyadékáramlási és hővezetési egyenletek megoldására használják. A hálózás szempontjából ügyelni kell a kulcsterületek felosztására, mint például a grafittégely felülete és az egykristály növekedési terület, hogy biztosítsuk a szimulációs eredmények pontosságát. A SiC egykristály növekedési folyamata számos fizikai folyamatot foglal magában, mint például a hővezetés, a sugárzási hőátadás, a folyadék mozgása stb. A szimulációhoz az aktuális helyzetnek megfelelően kiválasztják a megfelelő fizikai modelleket és peremfeltételeket. Például figyelembe véve a grafittégely és a SiC egykristály közötti hővezetést és sugárzási hőátadást, megfelelő hőátadási határfeltételeket kell beállítani; figyelembe véve az indukciós fűtés hatását a folyadék mozgására, figyelembe kell venni az indukciós fűtési teljesítmény peremfeltételeit.

A CFD szimuláció előtt be kell állítani a szimulációs időlépést, a konvergenciakritériumokat és egyéb paramétereket, valamint számításokat kell végezni. A szimulációs folyamat során szükséges a paraméterek folyamatos módosítása a szimulációs eredmények stabilitásának és konvergenciájának biztosítása érdekében, valamint a szimulációs eredmények utófeldolgozása, mint például a hőmérsékleti téreloszlás, a folyadéksebesség-eloszlás stb., további elemzések és optimalizálás céljából. . A szimulációs eredmények pontosságát a hőmérsékleti téreloszlással, az egykristály minőségével és a tényleges növekedési folyamat egyéb adataival való összehasonlítással igazoljuk. A szimulációs eredmények szerint a kemence szerkezetét, a fűtési módszert és egyéb szempontokat optimalizálták a SiC egykristály növesztő berendezés növekedési hatékonyságának és egykristály minőségének javítása érdekében. A SiC egykristály növesztő berendezés termikus tértervezésének CFD szimulációja magában foglalja a pontos modellek felállítását, a megfelelő numerikus módszerek és hálózás kiválasztását, a fizikai modellek és peremfeltételek meghatározását, a szimulációs paraméterek beállítását és kiszámítását, valamint a szimulációs eredmények ellenőrzését és optimalizálását. A tudományos és ésszerű CFD-szimuláció fontos referenciaként szolgálhat a SiC egykristály-tenyésztő berendezés tervezéséhez és optimalizálásához, valamint javíthatja a növekedési hatékonyságot és az egykristály minőségét.

3.4 A kemence szerkezetének tervezése

Figyelembe véve, hogy a szilícium-karbid egykristály növekedéséhez magas hőmérséklet, kémiai tehetetlenség és jó hővezető képesség szükséges, a kemence testének anyagát magas hőmérsékletű és korrózióálló anyagok közül kell kiválasztani, mint például szilícium-karbid kerámia (SiC), grafit stb. magas hőmérsékleti stabilitás és kémiai tehetetlenség, és ideális kemencetest anyag. A kemencetest belső falfelületének simának és egyenletesnek kell lennie a hősugárzás és a hőátadási ellenállás csökkentése, valamint a hőtér stabilitásának javítása érdekében. A kemence szerkezetét a lehető legnagyobb mértékben le kell egyszerűsíteni, kevesebb szerkezeti réteggel, hogy elkerüljük a hőfeszültség-koncentrációt és a túlzott hőmérsékleti gradienst. Általában hengeres vagy téglalap alakú szerkezetet használnak a hőtér egyenletes eloszlásának és stabilitásának elősegítésére. Kiegészítő fűtőelemek, például fűtőtekercsek és ellenállások a kemencében vannak beállítva, hogy javítsák a hőmérséklet egyenletességét és a termikus tér stabilitását, valamint biztosítsák az egykristály növekedés minőségét és hatékonyságát. Az általános fűtési módszerek közé tartozik az indukciós fűtés, az ellenállásfűtés és a sugárfűtés. A SiC egykristály növesztő berendezésekben gyakran alkalmazzák az indukciós fűtés és az ellenállásfűtés kombinációját. Az indukciós fűtést főként gyors melegítésre használják a hőmérséklet egyenletességének és a termikus tér stabilitásának javítása érdekében; az ellenállásfűtést állandó hőmérséklet és hőmérséklet-gradiens fenntartására használják a növekedési folyamat stabilitásának megőrzése érdekében. A sugárfűtés javíthatja a hőmérséklet egyenletességét a kemencében, de általában kiegészítő fűtési módszerként használják.

4 Következtetés

A teljesítményelektronikában, az optoelektronikában és más területeken a SiC anyagok iránti növekvő kereslet következtében a SiC egykristály-növekedési technológia fejlesztése a tudományos és technológiai innováció kulcsterületévé válik. A szilícium-karbamid egykristály-növesztő berendezés magjaként a termikus terek tervezése továbbra is nagy figyelmet és mélyreható kutatást fog kapni. A jövőbeli fejlesztési irányok közé tartozik a termikus térszerkezet és a vezérlőrendszer további optimalizálása a termelés hatékonyságának és az egykristály minőségének javítása érdekében; új anyagok és feldolgozási technológiák feltárása a berendezések stabilitásának és tartósságának javítása érdekében; és intelligens technológia integrálása a berendezések automatikus vezérlése és távfelügyelete érdekében.