Termisk feltdesign til SiC-enkeltkrystalvækst

1 Vigtigheden af ​​termisk feltdesign i SiC enkeltkrystalvækstudstyr

SiC enkeltkrystal er et vigtigt halvledermateriale, som er meget udbredt i kraftelektronik, optoelektronik og højtemperaturapplikationer. Termisk feltdesign påvirker direkte krystalliseringsadfærden, ensartetheden og urenhedskontrollen af ​​krystallen og har en afgørende indflydelse på ydeevnen og outputtet af SiC-enkeltkrystalvækstudstyr. Kvaliteten af ​​SiC-enkeltkrystal påvirker direkte dens ydeevne og pålidelighed ved fremstilling af enheder. Ved rationelt at designe det termiske felt kan ensartetheden af ​​temperaturfordelingen under krystalvækst opnås, termisk stress og termisk gradient i krystallen kan undgås, hvorved dannelseshastigheden af ​​krystaldefekter reduceres. Optimeret termisk feltdesign kan også forbedre krystalfladekvaliteten og krystallisationshastigheden, yderligere forbedre krystallens strukturelle integritet og kemiske renhed og sikre, at den dyrkede SiC-enkeltkrystal har gode elektriske og optiske egenskaber.

Væksthastigheden af ​​SiC-enkeltkrystal påvirker direkte produktionsomkostningerne og kapaciteten. Ved rationelt at designe det termiske felt kan temperaturgradienten og varmeflowfordelingen under krystalvækstprocessen optimeres, og krystallens væksthastighed og den effektive udnyttelseshastighed af vækstområdet kan forbedres. Det termiske feltdesign kan også reducere energitab og materialespild under vækstprocessen, reducere produktionsomkostninger og forbedre produktionseffektiviteten og derved øge produktionen af ​​SiC-enkeltkrystaller. SiC-enkeltkrystalvækstudstyr kræver normalt en stor mængde energiforsyning og kølesystem, og rationelt design af det termiske felt kan reducere energiforbruget, reducere energiforbruget og miljøemissionerne. Ved at optimere den termiske feltstruktur og varmestrømningsvejen kan energi maksimeres, og spildvarme kan genbruges for at forbedre energieffektiviteten og reducere negative påvirkninger af miljøet.

2 Vanskeligheder i termisk feltdesign af SiC enkeltkrystalvækstudstyr

2.1 Uensartethed af materialers varmeledningsevne

SiC er et meget vigtigt halvledermateriale. Dens termiske ledningsevne har karakteristika af høj temperaturstabilitet og fremragende varmeledningsevne, men dens varmeledningsevnefordeling har en vis uensartethed. I processen med SiC-enkeltkrystalvækst, for at sikre ensartetheden og kvaliteten af ​​krystalvæksten, skal det termiske felt kontrolleres præcist. Uensartetheden af ​​termisk ledningsevne af SiC-materialer vil føre til ustabilitet af termisk feltfordeling, hvilket igen påvirker ensartetheden og kvaliteten af ​​krystalvækst. SiC-enkeltkrystalvækstudstyr anvender normalt fysisk dampaflejring (PVT) metode eller gasfasetransportmetode, som kræver opretholdelse af et højtemperaturmiljø i vækstkammeret og realisering af krystalvækst ved præcist at kontrollere temperaturfordelingen. Uensartetheden af ​​termisk ledningsevne af SiC-materialer vil føre til uensartet temperaturfordeling i vækstkammeret og derved påvirke krystalvækstprocessen, hvilket kan forårsage krystaldefekter eller uensartet krystalkvalitet. Under væksten af ​​SiC-enkeltkrystaller er det nødvendigt at udføre tredimensionel dynamisk simulering og analyse af det termiske felt for bedre at forstå den skiftende lov om temperaturfordeling og optimere designet baseret på simuleringsresultaterne. På grund af uensartetheden af ​​termisk ledningsevne af SiC-materialer, kan disse simuleringsanalyser være påvirket af en vis grad af fejl, og dermed påvirke den præcise styring og optimeringsdesign af det termiske felt.

2.2 Vanskeligheder ved konvektionsregulering inde i udstyret

Under væksten af ​​SiC-enkeltkrystaller skal der opretholdes streng temperaturkontrol for at sikre ensartetheden og renheden af ​​krystallerne. Konvektionsfænomenet inde i udstyret kan forårsage uensartethed af temperaturfeltet og derved påvirke kvaliteten af ​​krystallerne. Konvektion danner normalt en temperaturgradient, hvilket resulterer i en uensartet struktur på krystaloverfladen, hvilket igen påvirker krystallernes ydeevne og anvendelse. God konvektionskontrol kan justere gasstrømmens hastighed og retning, hvilket hjælper med at reducere uensartetheden af ​​krystaloverfladen og forbedre væksteffektiviteten. Den komplekse geometriske struktur og gasdynamikprocessen inde i udstyret gør det ekstremt vanskeligt at kontrollere konvektionen nøjagtigt. Højtemperaturmiljø vil føre til et fald i varmeoverførselseffektiviteten og øge dannelsen af ​​temperaturgradient inde i udstyret, hvilket påvirker ensartetheden og kvaliteten af ​​krystalvækst. Nogle ætsende gasser kan påvirke materialerne og varmeoverførselselementerne inde i udstyret og derved påvirke konvektionsstabiliteten og kontrollerbarheden. SiC enkeltkrystalvækstudstyr har normalt en kompleks struktur og flere varmeoverførselsmekanismer, såsom strålingsvarmeoverførsel, konvektionsvarmeoverførsel og varmeledning. Disse varmeoverførselsmekanismer er koblet med hinanden, hvilket gør konvektionsreguleringen mere kompliceret, især når der er flerfasede flow- og faseændringsprocesser inde i udstyret, er det vanskeligere at modellere og styre konvektion nøjagtigt.

3 Nøglepunkter i termisk feltdesign af SiC-enkeltkrystalvækstudstyr

3.1 Varmekraftfordeling og -styring

I termisk feltdesign bør distributionstilstanden og kontrolstrategien for varmekraft bestemmes i henhold til procesparametrene og kravene til krystalvækst. SiC-enkeltkrystalvækstudstyr bruger grafitvarmestave eller induktionsvarmere til opvarmning. Ensartetheden og stabiliteten af ​​det termiske felt kan opnås ved at designe varmelegemets layout og effektfordeling. Under væksten af ​​SiC-enkeltkrystaller har temperaturensartethed en vigtig indflydelse på krystallens kvalitet. Fordelingen af ​​varmekraft bør kunne sikre ensartet temperatur i det termiske felt. Gennem numerisk simulering og eksperimentel verifikation kan forholdet mellem varmeeffekt og temperaturfordeling bestemmes, og derefter kan varmeenergifordelingsskemaet optimeres for at gøre temperaturfordelingen i det termiske felt mere ensartet og stabil. Under væksten af ​​SiC-enkeltkrystaller bør styringen af ​​varmeeffekten kunne opnå præcis regulering og stabil styring af temperaturen. Automatiske kontrolalgoritmer såsom PID-controller eller fuzzy-controller kan bruges til at opnå lukket kredsløbsstyring af varmeeffekt baseret på temperaturdata i realtid tilbageført af temperatursensorer for at sikre stabiliteten og ensartetheden af ​​temperaturen i det termiske felt. Under væksten af ​​SiC-enkeltkrystaller vil størrelsen af ​​varmekraften direkte påvirke krystalvæksthastigheden. Styringen af ​​varmeeffekten bør være i stand til at opnå præcis regulering af krystalvæksthastigheden. Ved at analysere og eksperimentelt verificere forholdet mellem varmeeffekt og krystalvæksthastighed, kan en rimelig varmeeffektstyringsstrategi bestemmes for at opnå præcis kontrol af krystalvæksthastighed. Under driften af ​​SiC-enkeltkrystalvækstudstyr har stabiliteten af ​​varmekraft en vigtig indflydelse på kvaliteten af ​​krystalvækst. Stabilt og pålideligt varmeudstyr og kontrolsystemer er påkrævet for at sikre stabiliteten og pålideligheden af ​​varmeeffekten. Varmeudstyret skal regelmæssigt vedligeholdes og serviceres for rettidigt at opdage og løse fejl og problemer i varmeudstyret for at sikre den normale drift af udstyret og den stabile varmeeffekt. Ved rationelt at designe varmeenergifordelingsskemaet, overveje forholdet mellem varmeeffekt og temperaturfordeling, realisere præcis kontrol af varmeeffekt og sikre stabiliteten og pålideligheden af ​​varmekraften, kan væksteffektiviteten og krystalkvaliteten af ​​SiC-enkeltkrystalvækstudstyr være effektivt forbedret, og fremskridt og udvikling af SiC-enkeltkrystalvækstteknologi kan fremmes.

3.2 Design og justering af temperaturstyringssystem

Før design af temperaturkontrolsystemet kræves numerisk simuleringsanalyse for at simulere og beregne varmeoverførselsprocesserne såsom varmeledning, konvektion og stråling under væksten af ​​SiC-enkeltkrystaller for at opnå fordelingen af ​​temperaturfeltet. Gennem eksperimentel verifikation bliver de numeriske simuleringsresultater korrigeret og justeret for at bestemme designparametrene for temperaturstyringssystemet, såsom varmeeffekt, opvarmningsområdets layout og temperaturfølerens placering. Under væksten af ​​SiC-enkeltkrystaller bruges modstandsopvarmning eller induktionsopvarmning normalt til opvarmning. Det er nødvendigt at vælge et passende varmeelement. Til modstandsopvarmning kan en højtemperaturmodstandstråd eller en modstandsovn vælges som varmeelement; til induktionsopvarmning skal der vælges en passende induktionsvarmeflade eller induktionsvarmeplade. Når du vælger et varmeelement, skal faktorer såsom varmeeffektivitet, varmeens ensartethed, høj temperaturbestandighed og indvirkningen på termisk feltstabilitet tages i betragtning. Udformningen af ​​temperaturkontrolsystemet skal ikke kun tage hensyn til temperaturens stabilitet og ensartethed, men også temperaturjusteringsnøjagtigheden og responshastigheden. Det er nødvendigt at designe en rimelig temperaturkontrolstrategi, såsom PID-kontrol, fuzzy-kontrol eller neural netværkskontrol, for at opnå nøjagtig kontrol og justering af temperaturen. Det er også nødvendigt at designe et passende temperaturjusteringsskema, såsom flerpunktskoblingsjustering, lokal kompensationsjustering eller feedbackjustering, for at sikre ensartet og stabil temperaturfordeling af hele det termiske felt. For at realisere den præcise overvågning og kontrol af temperaturen under væksten af ​​SiC-enkeltkrystaller er det nødvendigt at anvende avanceret temperaturfølingsteknologi og kontroludstyr. Du kan vælge højpræcisionstemperatursensorer såsom termoelementer, termiske modstande eller infrarøde termometre til at overvåge temperaturændringerne i hvert område i realtid og vælge højtydende temperaturregulatorudstyr, såsom PLC-controller (se figur 1) eller DSP-controller , for at opnå præcis styring og justering af varmeelementer. Ved at bestemme designparametrene baseret på numerisk simulering og eksperimentelle verifikationsmetoder, vælge passende opvarmningsmetoder og varmeelementer, designe rimelige temperaturkontrolstrategier og justeringsskemaer og bruge avanceret temperaturfølingsteknologi og controllerudstyr, kan du effektivt opnå præcis kontrol og justering af temperaturen under væksten af ​​SiC-enkeltkrystaller og forbedre kvaliteten og udbyttet af enkeltkrystaller.

3.3 Computational Fluid Dynamics Simulation

Etablering af en nøjagtig model er grundlaget for simulering af computational fluid dynamics (CFD). SiC-enkeltkrystalvækstudstyr er normalt sammensat af en grafitovn, et induktionsvarmesystem, en digel, en beskyttende gas osv. I modelleringsprocessen er det nødvendigt at overveje kompleksiteten af ​​ovnstrukturen, egenskaberne ved opvarmningsmetoden , og indflydelsen af ​​materialebevægelse på strømningsfeltet. Tredimensionel modellering bruges til nøjagtigt at rekonstruere de geometriske former for ovnen, diglen, induktionsspolen osv., og overveje de termiske fysiske parametre og grænsebetingelser for materialet, såsom varmeeffekt og gasstrømningshastighed.

I CFD-simulering omfatter almindeligt anvendte numeriske metoder den endelige volumenmetode (FVM) og den endelige elementmetode (FEM). I lyset af egenskaberne ved SiC-enkeltkrystalvækstudstyr anvendes FVM-metoden generelt til at løse væskestrømnings- og varmeledningsligningerne. Med hensyn til meshing er det nødvendigt at være opmærksom på at underinddele nøgleområder, såsom grafitdigelens overflade og enkeltkrystalvækstområdet, for at sikre nøjagtigheden af ​​simuleringsresultaterne. Vækstprocessen for SiC-enkeltkrystal involverer en række fysiske processer, såsom varmeledning, strålingsvarmeoverførsel, væskebevægelse osv. I henhold til den aktuelle situation vælges passende fysiske modeller og randbetingelser til simulering. For eksempel, i betragtning af varmeledning og strålingsvarmeoverførsel mellem grafitdigelen og SiC-enkeltkrystallen, skal der indstilles passende varmeoverførselsgrænsebetingelser; i betragtning af induktionsopvarmningens indflydelse på væskebevægelsen, skal grænsebetingelserne for induktionsopvarmningseffekt tages i betragtning.

Før CFD-simulering er det nødvendigt at indstille simuleringstidstrinnet, konvergenskriterier og andre parametre og udføre beregninger. Under simuleringsprocessen er det nødvendigt løbende at justere parametrene for at sikre stabiliteten og konvergensen af ​​simuleringsresultaterne, og efterbehandle simuleringsresultaterne, såsom temperaturfeltfordeling, væskehastighedsfordeling osv., for yderligere analyse og optimering . Nøjagtigheden af ​​simuleringsresultaterne verificeres ved at sammenligne med temperaturfeltfordelingen, enkeltkrystalkvaliteten og andre data i den faktiske vækstproces. Ifølge simuleringsresultaterne er ovnstrukturen, opvarmningsmetoden og andre aspekter optimeret for at forbedre væksteffektiviteten og enkeltkrystalkvaliteten af ​​SiC-enkeltkrystalvækstudstyr. CFD-simulering af termisk feltdesign af SiC-enkeltkrystalvækstudstyr involverer etablering af nøjagtige modeller, valg af passende numeriske metoder og meshing, bestemmelse af fysiske modeller og grænsebetingelser, indstilling og beregning af simuleringsparametre og verifikation og optimering af simuleringsresultater. Videnskabelig og rimelig CFD-simulering kan give vigtige referencer til design og optimering af SiC-enkeltkrystalvækstudstyr og forbedre væksteffektiviteten og enkeltkrystalkvaliteten.

3.4 Design af ovnstruktur

I betragtning af at SiC-enkeltkrystalvækst kræver høj temperatur, kemisk inertitet og god termisk ledningsevne, bør ovnlegemematerialet vælges blandt højtemperatur- og korrosionsbestandige materialer, såsom siliciumcarbidkeramik (SiC), grafit osv. SiC-materialet har fremragende høj temperatur stabilitet og kemisk inertitet, og er et ideelt ovnlegememateriale. Den indre vægoverflade af ovnlegemet skal være glat og ensartet for at reducere termisk stråling og varmeoverførselsmodstand og forbedre termisk feltstabilitet. Ovnstrukturen bør forenkles så meget som muligt med færre strukturelle lag for at undgå termisk spændingskoncentration og for høj temperaturgradient. En cylindrisk eller rektangulær struktur bruges normalt for at lette ensartet fordeling og stabilitet af det termiske felt. Hjælpevarmeelementer såsom varmespoler og modstande er sat inde i ovnen for at forbedre temperaturensartethed og termisk feltstabilitet og sikre kvaliteten og effektiviteten af ​​enkeltkrystalvækst. Almindelige opvarmningsmetoder omfatter induktionsopvarmning, modstandsopvarmning og strålingsopvarmning. I SiC enkeltkrystalvækstudstyr anvendes ofte en kombination af induktionsopvarmning og modstandsopvarmning. Induktionsopvarmning bruges hovedsageligt til hurtig opvarmning for at forbedre temperaturensartethed og termisk feltstabilitet; modstandsopvarmning bruges til at opretholde en konstant temperatur og temperaturgradient for at opretholde stabiliteten af ​​vækstprocessen. Strålingsopvarmning kan forbedre temperaturens ensartethed inde i ovnen, men det bruges normalt som en hjælpeopvarmningsmetode.

4. Konklusion

Med den voksende efterspørgsel efter SiC-materialer inden for kraftelektronik, optoelektronik og andre områder, vil udviklingen af ​​SiC-enkeltkrystalvækstteknologi blive et nøgleområde for videnskabelig og teknologisk innovation. Som kernen i SiC-enkeltkrystalvækstudstyr vil termisk feltdesign fortsat modtage omfattende opmærksomhed og dybdegående forskning. Fremtidige udviklingsretninger omfatter yderligere optimering af termisk feltstruktur og kontrolsystem for at forbedre produktionseffektiviteten og enkeltkrystalkvaliteten; udforske nye materialer og forarbejdningsteknologi for at forbedre udstyrs stabilitet og holdbarhed; og integrere intelligent teknologi for at opnå automatisk kontrol og fjernovervågning af udstyr.