Дизайн на термично поле за растеж на монокристали SiC

1 Значение на дизайна на термичното поле в оборудването за растеж на монокристали SiC

SiC монокристалът е важен полупроводников материал, който се използва широко в силова електроника, оптоелектроника и високотемпературни приложения. Дизайнът на термичното поле влияе пряко върху поведението на кристализация, еднородността и контрола на примесите на кристала и има решаващо влияние върху производителността и изхода на оборудването за растеж на монокристал SiC. Качеството на монокристала SiC пряко влияе върху неговата производителност и надеждност при производството на устройства. Чрез рационално проектиране на термичното поле може да се постигне равномерно разпределение на температурата по време на растежа на кристала, може да се избегне термичният стрес и термичният градиент в кристала, като по този начин се намали скоростта на образуване на кристални дефекти. Оптимизираният дизайн на термичното поле може също така да подобри качеството на лицето на кристала и скоростта на кристализация, да подобри допълнително структурната цялост и химическата чистота на кристала и да гарантира, че израсналият монокристал SiC има добри електрически и оптични свойства.

Скоростта на растеж на SiC монокристал пряко влияе върху производствените разходи и капацитета. Чрез рационално проектиране на термичното поле, температурният градиент и разпределението на топлинния поток по време на процеса на растеж на кристала могат да бъдат оптимизирани и скоростта на растеж на кристала и ефективната скорост на използване на зоната на растеж могат да бъдат подобрени. Дизайнът на термичното 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 увеличи производството на монокристали SiC. Оборудването за растеж на монокристален SiC обикновено изисква голямо количество енергия за захранване и система за охлаждане, а рационалното проектиране на топлинното поле може да намали потреблението на енергия, да намали потреблението на енергия и емисиите в околната среда. Чрез оптимизиране на структурата на термичното поле и пътя на топлинния поток енергията може да бъде увеличена максимално, а отпадната топлина може да бъде рециклирана за подобряване на енергийната ефективност и намаляване на отрицателните въздействия върху околната среда.

2 Трудности при проектирането на термично поле на оборудване за растеж на монокристали SiC

2.1 Неравномерност на топлопроводимостта 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 монокристалите SiC трябва да се поддържа строг контрол на температурата, за да се гарантира еднородността и чистотата на кристалите. Феноменът на конвекция вътре в оборудването може да причини неравномерност на температурното поле, като по този начин повлияе на качеството на кристалите. Конвекцията обикновено образува температурен градиент, което води до неравномерна структура на повърхността на кристала, което от своя страна влияе върху производителността и приложението на кристалите. Добрият контрол на конвекцията може да регулира скоростта и посоката на газовия поток, което помага да се намали нееднородността на кристалната повърхност и да се подобри ефективността на растежа. Сложната геометрична структура и газовият динамичен процес вътре в оборудването правят изключително трудно точното контролиране на конвекцията. Високотемпературната среда ще доведе до намаляване на ефективността на топлопреноса и ще увеличи образуването на температурен градиент вътре в оборудването, като по този начин ще повлияе 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 повлияят на стабилността и контролируемостта на конвекцията. Оборудването за монокристален растеж на SiC обикновено има сложна структура и множество механизми за пренос на топлина, като радиационен топлопренос, конвекционен топлопренос и топлопроводимост. Тези механизми за пренос на топлина са свързани един с друг, което прави регулирането на конвекцията по-сложно, особено когато има многофазен поток и процеси на промяна на фазите вътре в оборудването, по-трудно е точното моделиране и контрол на конвекцията.

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

3.1 Разпределение и управление на топлинната мощност

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, осъществявайки 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 проектирането на системата за контрол на температурата е необходим цифров симулационен анализ за симулиране и изчисляване на процесите на пренос на топлина като топлопроводимост, конвекция и излъчване по време на растежа на монокристалите SiC, за да се получи разпределението на температурното поле. Чрез експериментална проверка резултатите от числената симулация се коригират и коригират, за да се определят проектните параметри на системата за контрол на температурата, като мощност на отопление, разположение на зоната за отопление и местоположение на температурния сензор. По време на растежа на монокристалите SiC обикновено се използва съпротивително нагряване или индукционно нагряване. Необходимо е да изберете подходящ нагревателен елемент. За съпротивително нагряване като нагревателен елемент може да се избере високотемпературна съпротивителна жица или съпротивителна пещ; за индукционно отопление трябва да се избере подходяща индукционна нагревателна намотка или индукционна нагревателна плоча. При избора на нагревателен елемент трябва да се вземат предвид фактори като ефективност на нагряване, равномерност на нагряване, устойчивост на висока температура и влияние върху стабилността на термичното поле. Проектирането на системата за контрол на температурата трябва да вземе предвид не само стабилността и равномерността на температурата, но също така и точността на регулиране на температурата и скоростта на реакция. Необходимо е да се проектира разумна стратегия за контрол на температурата, като PID контрол, размит контрол или контрол на невронна 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 регулиране на многоточково свързване, локално регулиране на компенсацията или регулиране на обратната връзка, за да се осигури равномерно и стабилно разпределение на температурата на цялото топлинно поле. За да се реализира прецизното наблюдение и контрол на температурата по време на растежа на монокристалите SiC, е необходимо да се приеме усъвършенствана технология за отчитане на температурата и оборудване за контрол. Можете да изберете високопрецизни температурни сензори като термодвойки, термични резистори или инфрачервени термометри, за да наблюдавате температурните промени във всяка област в реално време и да изберете високоефективно оборудване за контрол на температурата, като PLC контролер (вижте Фигура 1) или DSP контролер , за постигане на прецизен контрол и настройка на нагревателните елементи. Чрез определяне на проектните параметри на базата на методи за числена симулация и експериментална проверка, избиране на подходящи методи за нагряване и нагревателни елементи, проектиране на разумни стратегии за контрол на температурата и схеми за регулиране и използване на усъвършенствана технология за измерване на температурата и контролерно оборудване, можете ефективно да постигнете прецизен контрол и настройка на температурата по време на растежа на монокристалите SiC и подобряване на качеството и добива на единични кристали.

3.3 Изчислителна симулация на флуидна динамика

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 монокристалният растеж на SiC изисква висока температура, химическа инертност и добра топлопроводимост, материалът на корпуса на пещта трябва да бъде избран от устойчиви на висока температура и корозия материали, като керамика от силициев карбид (SiC), графит и др. SiC материалът има отлични характеристики висока температурна стабилност и химическа инертност и е идеален материал за тялото на пещта. Повърхността на вътрешната стена на тялото на пещта трябва да бъде гладка и равномерна, за да се намали топлинното излъчване и съпротивлението на пренос на топлина и да се подобри стабилността на термичното поле. Структурата на пещта трябва да бъде опростена възможно най-много, с по-малко структурни слоеве, за да се избегне концентрацията на топлинно напрежение и прекомерен температурен градиент. Обикновено се използва цилиндрична или правоъгълна структура, за да се улесни равномерното разпределение и стабилността на топлинното поле. Спомагателни нагревателни елементи като нагревателни намотки 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 единичен кристал. Обичайните методи за нагряване включват индукционно нагряване, съпротивително нагряване и радиационно нагряване. В оборудването за растеж на монокристали SiC често се използва комбинация от индукционно нагряване и съпротивително нагряване. Индукционното нагряване се използва главно за бързо нагряване за подобряване на равномерността на температурата и стабилността на термичното поле; Съпротивителното нагряване се използва за поддържане на постоянна температура и температурен градиент за поддържане на стабилността на процеса на растеж. Радиационното нагряване може да подобри равномерността на температурата вътре в пещта, но обикновено се използва като допълнителен метод за нагряване.

4. Заключение

С нарастващото търсене на SiC материали в силовата електроника, оптоелектрониката и други области, развитието на технологията за растеж на монокристал SiC ще се превърне в ключова област на научни и технологични иновации. Като ядрото на оборудването за растеж на монокристали SiC, дизайнът на термично поле ще продължи да получава голямо внимание и задълбочени изследвания. Бъдещите насоки за развитие включват по-нататъшно оптимизиране на структурата на термичното поле и системата за контрол за подобряване на производствената ефективност и качеството на единичния кристал; проучване на нови материали и технологии за обработка за подобряване на стабилността и издръжливостта на оборудването; и интегриране на интелигентна технология за постигане на автоматичен контрол и дистанционно наблюдение на оборудването.