Šiluminio lauko projektavimas SiC vieno kristalo augimui

1 Šiluminio lauko projektavimo svarba SiC monokristalų auginimo įrangoje

SiC monokristalas yra svarbi puslaidininkinė medžiaga, plačiai naudojama galios elektronikoje, optoelektronikoje ir aukštos temperatūros srityse. Šiluminio lauko dizainas tiesiogiai veikia kristalo kristalizacijos elgseną, vienodumą ir priemaišų kontrolę, taip pat turi lemiamos įtakos SiC monokristalų auginimo įrangos veikimui ir našumui. SiC monokristalo kokybė tiesiogiai veikia jo veikimą ir patikimumą gaminant prietaisus. Racionaliai suprojektavus šiluminį lauką, galima pasiekti vienodą temperatūros pasiskirstymą kristalų augimo metu, išvengti šiluminio streso ir terminio gradiento kristale, taip sumažinant kristalų defektų susidarymo greitį. Optimizuotas šiluminio lauko dizainas taip pat gali pagerinti kristalo paviršiaus kokybę ir kristalizacijos greitį, toliau pagerinti kristalo struktūrinį vientisumą ir cheminį grynumą bei užtikrinti, kad išaugintas SiC monokristalas turi geras elektrines ir optines savybes.

SiC monokristalo augimo greitis tiesiogiai veikia gamybos sąnaudas ir pajėgumus. Racionaliai suprojektavus šiluminį lauką, galima optimizuoti temperatūros gradientą ir šilumos srauto pasiskirstymą kristalų augimo proceso metu, taip pat pagerinti kristalo augimo greitį ir efektyvų augimo srities panaudojimo greitį. Šiluminio lauko dizainas taip pat gali sumažinti energijos nuostolius ir medžiagų švaistymą augimo proceso metu, sumažinti gamybos sąnaudas ir pagerinti gamybos efektyvumą, taip padidinant SiC monokristalų išeigą. SiC monokristalų auginimo įrangai paprastai reikia daug energijos tiekimo ir aušinimo sistemos, o racionaliai suprojektavus šiluminį lauką, galima sumažinti energijos suvartojimą, sumažinti energijos sąnaudas ir aplinkos taršą. Optimizavus šiluminio lauko struktūrą ir šilumos srauto kelią, energija gali būti maksimaliai padidinta, o panaudota šiluma gali būti perdirbama, siekiant pagerinti energijos vartojimo efektyvumą ir sumažinti neigiamą poveikį aplinkai.

2 SiC monokristalų auginimo įrangos terminio lauko projektavimo sunkumai

2.1 Medžiagų šilumos laidumo netolygumas

SiC yra labai svarbi puslaidininkinė medžiaga. Jo šilumos laidumas pasižymi aukštų temperatūrų stabilumu ir puikiu šilumos laidumu, tačiau jo šilumos laidumo pasiskirstymas turi tam tikrą netolygumą. SiC monokristalų augimo procese, siekiant užtikrinti kristalų augimo vienodumą ir kokybę, šiluminis laukas turi būti tiksliai kontroliuojamas. SiC medžiagų šilumos laidumo netolygumas sukels šiluminio lauko pasiskirstymo nestabilumą, o tai savo ruožtu paveiks kristalų augimo vienodumą ir kokybę. SiC monokristalų auginimo įranga paprastai taiko fizinio nusodinimo iš garų (PVT) metodą arba dujinės fazės transportavimo metodą, kuris reikalauja palaikyti aukštą temperatūrą augimo kameroje ir realizuoti kristalų augimą tiksliai kontroliuojant temperatūros pasiskirstymą. SiC medžiagų šilumos laidumo netolygumas lems netolygus temperatūros pasiskirstymą augimo kameroje, taip paveikdamas kristalų augimo procesą, o tai gali sukelti kristalų defektus arba netolygią kristalų kokybę. SiC monokristalų auginimo metu būtina atlikti trimatį dinaminį šiluminio lauko modeliavimą ir analizę, kad būtų galima geriau suprasti besikeičiantį temperatūros pasiskirstymo dėsnį ir optimizuoti dizainą remiantis modeliavimo rezultatais. Dėl SiC medžiagų šilumos laidumo nevienodumo šios modeliavimo analizės gali turėti įtakos tam tikram klaidos laipsniui, todėl turi įtakos tiksliam šiluminio lauko valdymui ir optimizavimui.

2.2 Konvekcijos reguliavimo sunkumas įrenginio viduje

SiC pavienių kristalų augimo metu reikia palaikyti griežtą temperatūros kontrolę, kad būtų užtikrintas kristalų vienodumas ir grynumas. Konvekcijos reiškinys įrangos viduje gali sukelti temperatūros lauko nevienodumą ir taip paveikti kristalų kokybę. Konvekcija paprastai sudaro temperatūros gradientą, dėl kurio kristalo paviršiuje susidaro netolygi struktūra, o tai savo ruožtu turi įtakos kristalų veikimui ir pritaikymui. Gera konvekcijos kontrolė gali reguliuoti dujų srauto greitį ir kryptį, o tai padeda sumažinti kristalo paviršiaus netolygumą ir pagerinti augimo efektyvumą. Dėl sudėtingos geometrinės struktūros ir dujų dinamikos proceso įrangos viduje labai sunku tiksliai valdyti konvekciją. Aukštos temperatūros aplinka sumažins šilumos perdavimo efektyvumą ir padidins temperatūros gradiento susidarymą įrangos viduje, taip paveikdama kristalų augimo vienodumą ir kokybę. Kai kurios ėsdinančios dujos gali paveikti medžiagas ir šilumos perdavimo elementus įrangos viduje ir taip paveikti konvekcijos stabilumą ir valdomumą. SiC monokristalų auginimo įranga paprastai turi sudėtingą struktūrą ir daugybę šilumos perdavimo mechanizmų, tokių kaip spinduliuotės šilumos perdavimas, konvekcinis šilumos perdavimas ir šilumos laidumas. Šie šilumos perdavimo mechanizmai yra sujungti vienas su kitu, todėl konvekcijos reguliavimas tampa sudėtingesnis, ypač kai įrenginio viduje vyksta daugiafaziai srauto ir fazių kaitos procesai, sunkiau tiksliai modeliuoti ir valdyti konvekciją.

3 Pagrindiniai SiC monokristalų auginimo įrangos šiluminio lauko projektavimo punktai

3.1 Šildymo galios paskirstymas ir valdymas

Projektuojant terminį lauką, šildymo galios paskirstymo režimas ir valdymo strategija turėtų būti nustatomi pagal proceso parametrus ir kristalų augimo reikalavimus. SiC monokristalų auginimo įrangoje šildymui naudojami grafito kaitinimo strypai arba indukciniai šildytuvai. Šiluminio lauko vienodumą ir stabilumą galima pasiekti projektuojant šildytuvo išdėstymą ir galios paskirstymą. SiC pavienių kristalų augimo metu temperatūros vienodumas turi didelę įtaką kristalo kokybei. Šildymo galios paskirstymas turi užtikrinti vienodą temperatūrą šiluminiame lauke. Skaitmeniniu modeliavimu ir eksperimentiniu patikrinimu galima nustatyti ryšį tarp šildymo galios ir temperatūros pasiskirstymo, o tada optimizuoti šildymo galios paskirstymo schemą, kad temperatūros pasiskirstymas šiluminiame lauke būtų tolygesnis ir stabilesnis. SiC pavienių kristalų augimo metu šildymo galios valdymas turėtų turėti galimybę tiksliai reguliuoti ir stabiliai valdyti temperatūrą. Norint užtikrinti temperatūros stabilumą ir vienodumą šiluminiame lauke, galima naudoti automatinio valdymo algoritmus, tokius kaip PID valdiklis arba neryškus valdiklis, norint pasiekti uždaro ciklo šildymo galios valdymą, remiantis realaus laiko temperatūros duomenimis, kuriuos pateikia temperatūros jutikliai. SiC pavienių kristalų augimo metu šildymo galios dydis tiesiogiai paveiks kristalų augimo greitį. Šildymo galios valdymas turėtų turėti galimybę tiksliai reguliuoti kristalų augimo greitį. Analizuojant ir eksperimentiškai patikrinus ryšį tarp šildymo galios ir kristalų augimo greičio, galima nustatyti pagrįstą šildymo galios valdymo strategiją, kad būtų galima tiksliai kontroliuoti kristalų augimo greitį. SiC monokristalų auginimo įrangos veikimo metu šildymo galios stabilumas turi didelę įtaką kristalų augimo kokybei. Šildymo galios stabilumui ir patikimumui užtikrinti reikalinga stabili ir patikima šildymo įranga bei valdymo sistemos. Šildymo įranga turi būti reguliariai prižiūrima ir aptarnaujama, kad būtų laiku aptikti ir pašalinti šildymo įrangos gedimai ir problemos, kad būtų užtikrintas normalus įrangos veikimas ir stabili šildymo galia. Racionaliai suprojektavus šildymo galios paskirstymo schemą, atsižvelgiant į šildymo galios ir temperatūros pasiskirstymo ryšį, realizuojant tikslų šildymo galios valdymą ir užtikrinant šildymo galios stabilumą bei patikimumą, galima pagerinti SiC monokristalų auginimo įrangos augimo efektyvumą ir kristalų kokybę. efektyviai patobulinta, o SiC monokristalų augimo technologijos pažanga ir plėtra gali būti skatinama.

3.2 Temperatūros reguliavimo sistemos projektavimas ir reguliavimas

Prieš projektuojant temperatūros valdymo sistemą, reikia atlikti skaitmeninę modeliavimo analizę, kad būtų galima imituoti ir apskaičiuoti šilumos perdavimo procesus, tokius kaip šilumos laidumas, konvekcija ir spinduliavimas SiC monokristalų augimo metu, kad būtų galima gauti temperatūros lauko pasiskirstymą. Atliekant eksperimentinį patikrinimą, skaitmeninio modeliavimo rezultatai koreguojami ir koreguojami, siekiant nustatyti temperatūros valdymo sistemos projektinius parametrus, tokius kaip šildymo galia, šildymo zonos išdėstymas ir temperatūros jutiklio vieta. SiC monokristalų augimo metu šildymui dažniausiai naudojamas varžinis arba indukcinis kaitinimas. Būtina pasirinkti tinkamą šildymo elementą. Atspariam šildymui kaip kaitinimo elementas gali būti pasirinktas aukštos temperatūros varžinis laidas arba varžinė krosnis; indukciniam šildymui reikia pasirinkti tinkamą indukcinio šildymo ritę arba indukcinio šildymo plokštę. Renkantis šildymo elementą reikia atsižvelgti į tokius veiksnius kaip šildymo efektyvumas, šildymo tolygumas, atsparumas aukštai temperatūrai ir įtaka šiluminio lauko stabilumui. Projektuojant temperatūros valdymo sistemą reikia atsižvelgti ne tik į temperatūros stabilumą ir vienodumą, bet ir į temperatūros reguliavimo tikslumą bei reakcijos greitį. Norint tiksliai valdyti ir reguliuoti temperatūrą, būtina sukurti pagrįstą temperatūros valdymo strategiją, tokią kaip PID valdymas, neryškus valdymas arba neuroninio tinklo valdymas. Taip pat būtina sukurti tinkamą temperatūros reguliavimo schemą, pvz., kelių taškų jungties reguliavimą, vietinio kompensavimo reguliavimą arba grįžtamojo ryšio reguliavimą, kad būtų užtikrintas vienodas ir stabilus viso šiluminio lauko temperatūros pasiskirstymas. Norint tiksliai stebėti ir kontroliuoti temperatūrą SiC monokristalų augimo metu, būtina pritaikyti pažangią temperatūros jutimo technologiją ir valdiklio įrangą. Galite pasirinkti didelio tikslumo temperatūros jutiklius, tokius kaip termoporos, šiluminiai rezistoriai ar infraraudonųjų spindulių termometrai, kad realiuoju laiku stebėtumėte temperatūros pokyčius kiekvienoje srityje, ir pasirinkti didelio našumo temperatūros reguliatoriaus įrangą, pvz., PLC valdiklį (žr. 1 pav.) arba DSP valdiklį. , pasiekti tikslų šildymo elementų valdymą ir reguliavimą. Nustatydami projektavimo parametrus, pagrįstus skaitmeninio modeliavimo ir eksperimentinio patikrinimo metodais, pasirinkę tinkamus šildymo būdus ir kaitinimo elementus, sukūrę pagrįstas temperatūros valdymo strategijas ir reguliavimo schemas bei naudodami pažangią temperatūros jutimo technologiją ir valdiklio įrangą, galite efektyviai pasiekti tikslų valdymą ir reguliavimą. temperatūra SiC monokristalų augimo metu ir pagerina pavienių kristalų kokybę bei išeigą.

3.3 Skaičiavimo skysčių dinamikos modeliavimas

Tikslaus modelio sukūrimas yra skaičiavimo skysčio dinamikos (CFD) modeliavimo pagrindas. SiC monokristalų auginimo įrangą dažniausiai sudaro grafito krosnis, indukcinė šildymo sistema, tiglis, apsauginės dujos ir kt. Modeliuojant būtina atsižvelgti į krosnies konstrukcijos sudėtingumą, šildymo būdo ypatybes. , ir medžiagos judėjimo įtaka srauto laukui. Trimatis modeliavimas naudojamas norint tiksliai atkurti krosnies, tiglio, indukcinės ritės ir kt. geometrines formas ir atsižvelgti į medžiagos šiluminius fizikinius parametrus ir ribines sąlygas, tokias kaip šildymo galia ir dujų srautas.

CFD modeliavime dažniausiai naudojami skaitmeniniai metodai apima baigtinio tūrio metodą (FVM) ir baigtinių elementų metodą (FEM). Atsižvelgiant į SiC monokristalų auginimo įrangos ypatybes, FVM metodas paprastai naudojamas skysčio srauto ir šilumos laidumo lygtims išspręsti. Kalbant apie tinklelį, būtina atkreipti dėmesį į pagrindinių sričių, tokių kaip grafito tiglio paviršius ir vieno kristalo augimo sritis, padalijimą, kad būtų užtikrintas modeliavimo rezultatų tikslumas. SiC monokristalo augimo procesas apima įvairius fizinius procesus, tokius kaip šilumos laidumas, spinduliuotės šilumos perdavimas, skysčių judėjimas ir kt. Pagal esamą situaciją modeliavimui parenkami tinkami fizikiniai modeliai ir ribinės sąlygos. Pavyzdžiui, atsižvelgiant į šilumos laidumą ir spinduliuotės šilumos perdavimą tarp grafito tiglio ir SiC monokristalo, reikia nustatyti atitinkamas šilumos perdavimo ribines sąlygas; Atsižvelgiant į indukcinio šildymo įtaką skysčio judėjimui, reikia atsižvelgti į ribines indukcinio šildymo galios sąlygas.

Prieš atliekant CFD modeliavimą, būtina nustatyti modeliavimo laiko žingsnį, konvergencijos kriterijus ir kitus parametrus bei atlikti skaičiavimus. Modeliavimo proceso metu būtina nuolat koreguoti parametrus, kad būtų užtikrintas modeliavimo rezultatų stabilumas ir konvergencija, o vėliau apdoroti modeliavimo rezultatus, tokius kaip temperatūros lauko pasiskirstymas, skysčio greičio pasiskirstymas ir kt., kad būtų galima atlikti tolesnę analizę ir optimizavimą. . Modeliavimo rezultatų tikslumas patikrinamas lyginant su temperatūros lauko pasiskirstymu, vieno kristalo kokybe ir kitais faktinio augimo proceso duomenimis. Remiantis modeliavimo rezultatais, krosnies struktūra, šildymo metodas ir kiti aspektai yra optimizuoti, siekiant pagerinti SiC monokristalų auginimo įrangos augimo efektyvumą ir vieno kristalo kokybę. SiC monokristalų auginimo įrangos šiluminio lauko projektavimo CFD modeliavimas apima tikslių modelių sukūrimą, tinkamų skaitinių metodų ir susiejimo parinkimą, fizinių modelių ir ribinių sąlygų nustatymą, modeliavimo parametrų nustatymą ir apskaičiavimą, modeliavimo rezultatų patikrinimą ir optimizavimą. Mokslinis ir pagrįstas CFD modeliavimas gali suteikti svarbių nuorodų kuriant ir optimizuojant SiC monokristalų auginimo įrangą ir pagerinti augimo efektyvumą bei monokristalų kokybę.

3.4 Krosnies konstrukcijos projektavimas

Atsižvelgiant į tai, kad SiC monokristalams augti reikalinga aukšta temperatūra, cheminis inertiškumas ir geras šilumos laidumas, krosnies korpuso medžiaga turėtų būti parinkta iš aukštai temperatūrai ir korozijai atsparių medžiagų, tokių kaip silicio karbido keramika (SiC), grafitas ir kt. SiC medžiaga pasižymi puikiomis savybėmis. Aukštos temperatūros stabilumas ir cheminis inertiškumas ir yra ideali krosnies korpuso medžiaga. Vidinis krosnies korpuso sienelės paviršius turi būti lygus ir vienodas, kad būtų sumažintas šiluminės spinduliuotės ir šilumos perdavimo atsparumas bei pagerintas šiluminio lauko stabilumas. Krosnies konstrukcija turėtų būti kiek įmanoma supaprastinta, naudojant mažiau struktūrinių sluoksnių, kad būtų išvengta šiluminio įtempio koncentracijos ir per didelio temperatūros gradiento. Cilindrinė arba stačiakampė konstrukcija paprastai naudojama vienodam šiluminio lauko pasiskirstymui ir stabilumui palengvinti. Pagalbiniai kaitinimo elementai, tokie kaip kaitinimo ritės ir rezistoriai, yra nustatyti krosnies viduje, siekiant pagerinti temperatūros vienodumą ir šiluminio lauko stabilumą bei užtikrinti vieno kristalo augimo kokybę ir efektyvumą. Įprasti šildymo būdai yra indukcinis šildymas, varžinis šildymas ir radiacinis šildymas. SiC monokristalų auginimo įrangoje dažnai naudojamas indukcinio šildymo ir varžinio šildymo derinys. Indukcinis šildymas daugiausia naudojamas greitam šildymui, siekiant pagerinti temperatūros vienodumą ir šiluminio lauko stabilumą; atsparus šildymas naudojamas palaikyti pastovią temperatūrą ir temperatūros gradientą, kad būtų išlaikytas augimo proceso stabilumas. Radiacinis šildymas gali pagerinti temperatūros vienodumą krosnies viduje, tačiau dažniausiai jis naudojamas kaip pagalbinis šildymo būdas.

4. Išvada

Didėjant SiC medžiagų paklausai galios elektronikos, optoelektronikos ir kitose srityse, SiC monokristalų augimo technologijos kūrimas taps pagrindine mokslo ir technologijų inovacijų sritimi. Kaip SiC monokristalų auginimo įrangos pagrindas, šiluminio lauko projektavimui ir toliau bus skiriamas didelis dėmesys ir išsamūs tyrimai. Ateities plėtros kryptys apima tolesnį terminio lauko struktūros ir valdymo sistemos optimizavimą, siekiant pagerinti gamybos efektyvumą ir monokristalų kokybę; naujų medžiagų ir apdirbimo technologijų tyrinėjimas, siekiant pagerinti įrangos stabilumą ir ilgaamžiškumą; ir integruoti pažangias technologijas, kad būtų galima automatiškai valdyti ir nuotoliniu būdu stebėti įrangą.