Termisk feltdesign for SiC enkeltkrystallvekst

1 Viktigheten av termisk feltdesign i SiC enkeltkrystallvekstutstyr

SiC enkeltkrystall er et viktig halvledermateriale, som er mye brukt i kraftelektronikk, optoelektronikk og høytemperaturapplikasjoner. Termisk feltdesign påvirker direkte krystalliseringsatferden, ensartetheten og urenhetskontrollen til krystallen, og har en avgjørende innflytelse på ytelsen og produksjonen til SiC enkeltkrystallvekstutstyr. Kvaliteten på SiC-enkeltkrystall påvirker direkte ytelsen og påliteligheten i enhetsproduksjon. Ved rasjonell utforming av det termiske feltet kan ensartet temperaturfordeling under krystallvekst oppnås, termisk stress og termisk gradient i krystallen kan unngås, og derved redusere dannelseshastigheten av krystalldefekter. Optimalisert termisk feltdesign kan også forbedre krystallens overflatekvalitet og krystalliseringshastighet, ytterligere forbedre den strukturelle integriteten og kjemiske renheten til krystallen, og sikre at den dyrkede SiC-enkeltkrystallen har gode elektriske og optiske egenskaper.

Veksthastigheten til SiC enkrystall påvirker direkte produksjonskostnadene og kapasiteten. Ved rasjonell utforming av det termiske feltet kan temperaturgradienten og varmestrømfordelingen under krystallvekstprosessen optimaliseres, og krystallens veksthastighet og den effektive utnyttelseshastigheten til vekstområdet kan forbedres. Det termiske feltdesignet kan også redusere energitap og materialavfall under vekstprosessen, redusere produksjonskostnadene og forbedre produksjonseffektiviteten, og dermed øke produksjonen av SiC-enkeltkrystaller. SiC enkeltkrystallvekstutstyr krever vanligvis en stor mengde energiforsyning og kjølesystem, og rasjonell utforming av det termiske feltet kan redusere energiforbruket, redusere energiforbruket og miljøutslippene. Ved å optimalisere den termiske feltstrukturen og varmestrømningsveien, kan energi maksimeres, og spillvarme kan resirkuleres for å forbedre energieffektiviteten og redusere negative påvirkninger på miljøet.

2 Vanskeligheter i termisk feltdesign av SiC enkeltkrystallvekstutstyr

2.1 Ujevnhet i termisk ledningsevne til materialer

SiC er et svært viktig halvledermateriale. Dens termiske ledningsevne har egenskapene til høy temperaturstabilitet og utmerket varmeledningsevne, men dens varmeledningsevnefordeling har en viss ujevnhet. I prosessen med SiC enkeltkrystallvekst, for å sikre ensartethet og kvalitet på krystallvekst, må det termiske feltet kontrolleres nøyaktig. Uensartetheten i termisk ledningsevne til SiC-materialer vil føre til ustabilitet i termisk feltfordeling, som igjen påvirker jevnheten og kvaliteten på krystallveksten. SiC enkeltkrystallvekstutstyr bruker vanligvis fysisk dampavsetning (PVT) metode eller gassfasetransportmetode, som krever å opprettholde et høytemperaturmiljø i vekstkammeret og realisere krystallvekst ved nøyaktig å kontrollere temperaturfordelingen. Ujevnheten i termisk ledningsevne til SiC-materialer vil føre til ujevn temperaturfordeling i vekstkammeret, og dermed påvirke krystallvekstprosessen, noe som kan forårsake krystalldefekter eller ujevn krystallkvalitet. Under veksten av SiC-enkeltkrystaller er det nødvendig å utføre tredimensjonal dynamisk simulering og analyse av det termiske feltet for bedre å forstå den skiftende loven om temperaturfordeling og optimalisere designet basert på simuleringsresultatene. På grunn av uensartetheten i termisk ledningsevne til SiC-materialer, kan disse simuleringsanalysene bli påvirket av en viss grad av feil, og dermed påvirke den nøyaktige kontroll- og optimaliseringsdesignen til det termiske feltet.

2.2 Vanskeligheter med konveksjonsregulering inne i utstyret

Under veksten av SiC-enkeltkrystaller, må streng temperaturkontroll opprettholdes for å sikre jevnheten og renheten til krystallene. Konveksjonsfenomenet inne i utstyret kan forårsake ujevnhet i temperaturfeltet, og dermed påvirke kvaliteten på krystallene. Konveksjon danner vanligvis en temperaturgradient, noe som resulterer i en ujevn struktur på krystalloverflaten, som igjen påvirker ytelsen og påføringen av krystallene. God konveksjonskontroll kan justere gassstrømmens hastighet og retning, noe som bidrar til å redusere ujevnheten til krystalloverflaten og forbedre veksteffektiviteten. Den komplekse geometriske strukturen og gassdynamikkprosessen inne i utstyret gjør det ekstremt vanskelig å kontrollere konveksjonen nøyaktig. Høytemperaturmiljø vil føre til en reduksjon i varmeoverføringseffektiviteten og øke dannelsen av temperaturgradient inne i utstyret, og dermed påvirke jevnheten og kvaliteten på krystallveksten. Noen korrosive gasser kan påvirke materialene og varmeoverføringselementene inne i utstyret, og dermed påvirke stabiliteten og kontrollerbarheten til konveksjon. SiC enkeltkrystallvekstutstyr har vanligvis en kompleks struktur og flere varmeoverføringsmekanismer, slik som strålingsvarmeoverføring, konveksjonsvarmeoverføring og varmeledning. Disse varmeoverføringsmekanismene er koblet med hverandre, noe som gjør konveksjonsreguleringen mer komplisert, spesielt når det er flerfasestrømnings- og faseendringsprosesser inne i utstyret, er det vanskeligere å nøyaktig modellere og kontrollere konveksjon.

3 Nøkkelpunkter for termisk feltdesign av SiC enkeltkrystallvekstutstyr

3.1 Varmekraftfordeling og kontroll

I termisk feltdesign bør distribusjonsmodus og kontrollstrategi for varmekraft bestemmes i henhold til prosessparametrene og kravene til krystallvekst. SiC enkeltkrystallvekstutstyr bruker grafittvarmestaver eller induksjonsvarmer for oppvarming. Ensartetheten og stabiliteten til det termiske feltet kan oppnås ved å designe utformingen og kraftfordelingen til varmeren. Under veksten av SiC-enkeltkrystaller har temperaturensartethet en viktig innflytelse på krystallkvaliteten. Fordelingen av varmekraft skal kunne sikre ensartet temperatur i det termiske feltet. Gjennom numerisk simulering og eksperimentell verifikasjon kan forholdet mellom varmeeffekt og temperaturfordeling bestemmes, og deretter kan varmekraftfordelingsskjemaet optimaliseres for å gjøre temperaturfordelingen i det termiske feltet mer jevn og stabil. Under veksten av SiC-enkeltkrystaller bør styringen av varmekraften kunne oppnå presis regulering og stabil temperaturkontroll. Automatiske kontrollalgoritmer som PID-kontroller eller fuzzy-kontroller kan brukes til å oppnå lukket sløyfekontroll av varmekraft basert på sanntidstemperaturdata tilbakeført av temperatursensorer for å sikre stabilitet og jevnhet til temperaturen i det termiske feltet. Under veksten av SiC-enkeltkrystaller vil størrelsen på varmekraften direkte påvirke krystallveksthastigheten. Styringen av varmekraft bør kunne oppnå presis regulering av krystallveksthastighet. Ved å analysere og eksperimentelt verifisere forholdet mellom varmekraft og krystallveksthastighet, kan en fornuftig styringsstrategi for varmeeffekt bestemmes for å oppnå presis kontroll av krystallveksthastighet. Under driften av SiC enkeltkrystallvekstutstyr har stabiliteten til varmekraft en viktig innvirkning på kvaliteten på krystallveksten. Stabilt og pålitelig varmeutstyr og kontrollsystemer er nødvendig for å sikre stabiliteten og påliteligheten til varmekraften. Varmeutstyret må vedlikeholdes og vedlikeholdes regelmessig for å oppdage og løse feil og problemer i varmeutstyret i tide for å sikre normal drift av utstyret og stabil effekt av varmeeffekt. Ved å rasjonelt utforme varmekraftdistribusjonsordningen, vurdere forholdet mellom varmekraft og temperaturfordeling, realisere presis kontroll av varmekraft og sikre stabiliteten og påliteligheten til varmekraften, kan veksteffektiviteten og krystallkvaliteten til SiC enkeltkrystallvekstutstyr bli effektivt forbedret, og fremdriften og utviklingen av SiC enkeltkrystallvekstteknologi kan fremmes.

3.2 Design og justering av temperaturkontrollsystem

Før utforming av temperaturkontrollsystemet kreves det numerisk simuleringsanalyse for å simulere og beregne varmeoverføringsprosessene som varmeledning, konveksjon og stråling under veksten av SiC-enkeltkrystaller for å oppnå fordelingen av temperaturfeltet. Gjennom eksperimentell verifisering blir de numeriske simuleringsresultatene korrigert og justert for å bestemme designparametrene til temperaturkontrollsystemet, for eksempel varmeeffekt, oppvarmingsområde og temperatursensorplassering. Under veksten av SiC-enkeltkrystaller brukes vanligvis motstandsoppvarming eller induksjonsoppvarming til oppvarming. Det er nødvendig å velge et passende varmeelement. For motstandsoppvarming kan en høytemperaturmotstandstråd eller en motstandsovn velges som varmeelement; for induksjonsvarme må en passende induksjonsvarmebatteri eller induksjonsvarmeplate velges. Når du velger et varmeelement, må faktorer som varmeeffektivitet, varmeuniformitet, høy temperaturmotstand og innvirkning på termisk feltstabilitet vurderes. Utformingen av temperaturkontrollsystemet må ikke bare vurdere stabiliteten og jevnheten til temperaturen, men også temperaturjusteringsnøyaktigheten og responshastigheten. Det er nødvendig å utforme en fornuftig temperaturkontrollstrategi, for eksempel PID-kontroll, fuzzy-kontroll eller nevrale nettverkskontroll, for å oppnå nøyaktig kontroll og justering av temperaturen. Det er også nødvendig å designe et passende temperaturjusteringsskjema, for eksempel flerpunktskoblingsjustering, lokal kompensasjonsjustering eller tilbakemeldingsjustering, for å sikre jevn og stabil temperaturfordeling av hele termiske feltet. For å realisere nøyaktig overvåking og kontroll av temperaturen under veksten av SiC-enkeltkrystaller, er det nødvendig å ta i bruk avansert temperaturfølingsteknologi og kontrollerutstyr. Du kan velge temperatursensorer med høy presisjon som termoelementer, termiske motstander eller infrarøde termometre for å overvåke temperaturendringene i hvert område i sanntid, og velge høyytelses temperaturkontrollutstyr, for eksempel PLS-kontroller (se figur 1) eller DSP-kontroller , for å oppnå presis kontroll og justering av varmeelementer. Ved å bestemme designparametrene basert på numerisk simulering og eksperimentelle verifiseringsmetoder, velge passende oppvarmingsmetoder og varmeelementer, utforme rimelige temperaturkontrollstrategier og justeringsskjemaer, og bruke avansert temperaturfølingsteknologi og kontrollerutstyr, kan du effektivt oppnå presis kontroll og justering av temperaturen under veksten av SiC enkeltkrystaller, og forbedre kvaliteten og utbyttet av enkeltkrystaller.

3.3 Computational Fluid Dynamics Simulering

Etablering av en nøyaktig modell er grunnlaget for simulering av computational fluid dynamics (CFD). SiC enkeltkrystallvekstutstyr er vanligvis sammensatt av en grafittovn, et induksjonsvarmesystem, en digel, en beskyttende gass, etc. I modelleringsprosessen er det nødvendig å vurdere kompleksiteten til ovnsstrukturen, egenskapene til oppvarmingsmetoden , og påvirkningen av materialbevegelse på strømningsfeltet. Tredimensjonal modellering brukes for nøyaktig å rekonstruere de geometriske formene til ovnen, digelen, induksjonsspolen, etc., og vurdere de termiske fysiske parametrene og grenseforholdene til materialet, slik som varmekraft og gassstrømningshastighet.

I CFD-simulering inkluderer vanlige numeriske metoder den endelige volummetoden (FVM) og den endelige elementmetoden (FEM). I lys av egenskapene til SiC enkeltkrystallvekstutstyr, brukes FVM-metoden generelt for å løse væskestrømnings- og varmeledningsligningene. Når det gjelder meshing, er det nødvendig å være oppmerksom på å underinndele nøkkelområder, for eksempel grafittdigelens overflate og enkeltkrystallvekstområdet, for å sikre nøyaktigheten av simuleringsresultatene. Vekstprosessen til SiC-enkeltkrystall involverer en rekke fysiske prosesser, som varmeledning, strålingsvarmeoverføring, væskebevegelse osv. I henhold til den faktiske situasjonen velges passende fysiske modeller og grenseforhold for simulering. For eksempel, med tanke på varmeledning og strålingsvarmeoverføring mellom grafittdigelen og SiC-enkeltkrystallen, må passende varmeoverføringsgrensebetingelser settes; med tanke på påvirkningen av induksjonsoppvarming på væskebevegelsen, må grensebetingelsene for induksjonsvarmekraft vurderes.

Før CFD-simulering er det nødvendig å stille inn simuleringstidstrinnet, konvergenskriterier og andre parametere, og utføre beregninger. Under simuleringsprosessen er det nødvendig å kontinuerlig justere parametrene for å sikre stabilitet og konvergens av simuleringsresultatene, og etterbehandle simuleringsresultatene, som temperaturfeltfordeling, væskehastighetsfordeling, etc., for videre analyse og optimalisering . Nøyaktigheten av simuleringsresultatene verifiseres ved å sammenligne med temperaturfeltfordelingen, enkeltkrystallkvalitet og andre data i selve vekstprosessen. I følge simuleringsresultatene er ovnsstrukturen, oppvarmingsmetoden og andre aspekter optimalisert for å forbedre veksteffektiviteten og enkeltkrystallkvaliteten til SiC-enkrystallvekstutstyr. CFD-simulering av termisk feltdesign av SiC enkeltkrystallvekstutstyr innebærer å etablere nøyaktige modeller, velge passende numeriske metoder og meshing, bestemme fysiske modeller og grenseforhold, sette og beregne simuleringsparametere, og verifisere og optimalisere simuleringsresultater. Vitenskapelig og rimelig CFD-simulering kan gi viktige referanser for design og optimalisering av SiC enkeltkrystallvekstutstyr, og forbedre veksteffektiviteten og enkeltkrystallkvaliteten.

3.4 Utforming av ovnsstruktur

Tatt i betraktning at SiC enkeltkrystallvekst krever høy temperatur, kjemisk treghet og god varmeledningsevne, bør ovnskroppsmaterialet velges fra høytemperatur- og korrosjonsbestandige materialer, som silisiumkarbidkeramikk (SiC), grafitt, etc. SiC-materiale har utmerket høy temperaturstabilitet og kjemisk treghet, og er et ideelt ovnskroppsmateriale. Den indre veggoverflaten til ovnskroppen bør være jevn og jevn for å redusere termisk stråling og varmeoverføringsmotstand og forbedre termisk feltstabilitet. Ovnsstrukturen bør forenkles så mye som mulig, med færre strukturelle lag for å unngå termisk spenningskonsentrasjon og overdreven temperaturgradient. En sylindrisk eller rektangulær struktur brukes vanligvis for å lette jevn fordeling og stabilitet av det termiske feltet. Hjelpevarmeelementer som varmespoler og motstander er satt inne i ovnen for å forbedre temperaturensartethet og termisk feltstabilitet og sikre kvaliteten og effektiviteten til enkeltkrystallvekst. Vanlige oppvarmingsmetoder inkluderer induksjonsoppvarming, motstandsoppvarming og strålingsoppvarming. I SiC enkeltkrystallvekstutstyr brukes ofte en kombinasjon av induksjonsoppvarming og motstandsoppvarming. Induksjonsoppvarming brukes hovedsakelig for rask oppvarming for å forbedre temperaturensartethet og termisk feltstabilitet; motstandsoppvarming brukes for å opprettholde en konstant temperatur og temperaturgradient for å opprettholde stabiliteten i vekstprosessen. Strålingsoppvarming kan forbedre temperaturensartetheten inne i ovnen, men den brukes vanligvis som en hjelpeoppvarmingsmetode.

4. Konklusjon

Med den økende etterspørselen etter SiC-materialer innen kraftelektronikk, optoelektronikk og andre felt, vil utviklingen av SiC-enkrystallvekstteknologi bli et nøkkelområde for vitenskapelig og teknologisk innovasjon. Som kjernen i SiC enkeltkrystallvekstutstyr, vil termisk feltdesign fortsette å få omfattende oppmerksomhet og grundig forskning. Fremtidige utviklingsretninger inkluderer ytterligere optimalisering av termisk feltstruktur og kontrollsystem for å forbedre produksjonseffektiviteten og enkrystallkvaliteten; utforske nye materialer og prosesseringsteknologi for å forbedre utstyrets stabilitet og holdbarhet; og integrering av intelligent teknologi for å oppnå automatisk kontroll og fjernovervåking av utstyr.