Oblikovanje toplotnega polja za rast monokristala SiC

1 Pomen oblikovanja termičnega polja v opremi za rast monokristalov SiC

Monokristal SiC je pomemben polprevodniški material, ki se pogosto uporablja v močnostni elektroniki, optoelektroniki in visokotemperaturnih aplikacijah. Zasnova toplotnega polja neposredno vpliva na obnašanje kristalizacije, enakomernost in nadzor nečistoč v kristalu ter ima odločilen vpliv na delovanje in proizvodnjo opreme za rast monokristalov SiC. Kakovost monokristala SiC neposredno vpliva na njegovo zmogljivost in zanesljivost pri izdelavi naprav. Z racionalno zasnovo toplotnega polja je mogoče doseči enakomernost porazdelitve temperature med rastjo kristala, se izogniti toplotnemu stresu in toplotnemu gradientu v kristalu ter s tem zmanjšati hitrost nastajanja kristalnih defektov. Optimizirana zasnova toplotnega polja lahko tudi izboljša kakovost površine kristala in stopnjo kristalizacije, dodatno izboljša strukturno celovitost in kemično čistost kristala ter zagotovi, da ima gojeni monokristal SiC dobre električne in optične lastnosti.

Hitrost rasti monokristala SiC neposredno vpliva na proizvodne stroške in zmogljivost. Z racionalnim načrtovanjem toplotnega polja je mogoče optimizirati temperaturni gradient in porazdelitev toplotnega toka med procesom rasti kristala ter izboljšati hitrost rasti kristala in efektivno stopnjo izkoriščenosti območja rasti. Zasnova termičnega polja lahko tudi zmanjša izgubo energije in materialne odpadke med procesom rasti, zmanjša proizvodne stroške in izboljša proizvodno učinkovitost, s čimer se poveča proizvodnja monokristalov SiC. Oprema za rast monokristalov SiC običajno zahteva veliko količino oskrbe z energijo in hladilnega sistema, racionalno načrtovanje toplotnega polja pa lahko zmanjša porabo energije, zmanjša porabo energije in emisije v okolje. Z optimizacijo strukture toplotnega polja in poti toplotnega toka je mogoče povečati energijo, odpadno toploto pa reciklirati za izboljšanje energetske učinkovitosti in zmanjšanje negativnih vplivov na okolje.

2 Težave pri načrtovanju termičnega polja opreme za rast monokristalov SiC

2.1 Neenakomernost toplotne prevodnosti materialov

SiC je zelo pomemben polprevodniški material. Njegova toplotna prevodnost ima značilnosti visoke temperaturne stabilnosti in odlične toplotne prevodnosti, vendar ima porazdelitev toplotne prevodnosti določeno neenakomernost. V procesu rasti monokristala SiC, da bi zagotovili enakomernost in kakovost rasti kristalov, je treba toplotno polje natančno nadzorovati. Neenakomernost toplotne prevodnosti materialov SiC bo povzročila nestabilnost porazdelitve toplotnega polja, kar posledično vpliva na enakomernost in kakovost rasti kristalov. Oprema za rast monokristalov SiC običajno uporablja metodo fizičnega naparjevanja (PVT) ali metodo transporta plinske faze, ki zahteva vzdrževanje visokotemperaturnega okolja v rastni komori in realizacijo rasti kristalov z natančnim nadzorom porazdelitve temperature. Neenakomerna toplotna prevodnost materialov SiC bo povzročila neenakomerno porazdelitev temperature v rastni komori, kar bo vplivalo na proces rasti kristalov, kar lahko povzroči kristalne napake ali neenakomerno kakovost kristalov. Med rastjo monokristalov SiC je potrebno izvesti tridimenzionalno dinamično simulacijo in analizo toplotnega polja, da bi bolje razumeli spreminjajoč se zakon porazdelitve temperature in optimizirali zasnovo na podlagi rezultatov simulacije. Zaradi neenotnosti toplotne prevodnosti materialov SiC lahko na te simulacijske analize vpliva določena stopnja napake, kar vpliva na natančno kontrolo in optimizacijsko zasnovo toplotnega polja.

2.2 Težava pri regulaciji konvekcije znotraj opreme

Med rastjo monokristalov SiC je treba vzdrževati strog nadzor temperature, da se zagotovi enotnost in čistost kristalov. Pojav konvekcije v opremi lahko povzroči neenakomernost temperaturnega polja in s tem vpliva na kakovost kristalov. Konvekcija običajno tvori temperaturni gradient, kar ima za posledico neenotno strukturo na kristalni površini, kar posledično vpliva na delovanje in uporabo kristalov. Dober nadzor konvekcije lahko prilagodi hitrost in smer pretoka plina, kar pomaga zmanjšati neenakomernost kristalne površine in izboljšati učinkovitost rasti. Zapletena geometrijska struktura in proces plinske dinamike v opremi izjemno otežujejo natančen nadzor konvekcije. Okolje z visoko temperaturo bo povzročilo zmanjšanje učinkovitosti prenosa toplote in povečalo nastanek temperaturnega gradienta znotraj opreme, kar bo vplivalo na enakomernost in kakovost rasti kristalov. Nekateri korozivni plini lahko vplivajo na materiale in elemente za prenos toplote znotraj opreme, s čimer vplivajo na stabilnost in možnost nadzora konvekcije. Oprema za rast monokristalov SiC ima običajno kompleksno strukturo in več mehanizmov za prenos toplote, kot so prenos toplote s sevanjem, konvekcijski prenos toplote in toplotna prevodnost. Ti mehanizmi za prenos toplote so povezani med seboj, zaradi česar je regulacija konvekcije bolj zapletena, še posebej, če so znotraj opreme večfazni tok in procesi faznih sprememb, težje je natančno modelirati in nadzorovati konvekcijo.

3 Ključne točke načrtovanja toplotnega polja opreme za rast monokristalov SiC

3.1 Porazdelitev in regulacija ogrevalne moči

Pri načrtovanju toplotnega polja je treba način porazdelitve in strategijo nadzora ogrevalne moči določiti glede na procesne parametre in zahteve rasti kristalov. Oprema za rast monokristalov SiC za ogrevanje uporablja grafitne grelne palice ali indukcijske grelnike. Enakomernost in stabilnost toplotnega polja je mogoče doseči z načrtovanjem postavitve in porazdelitve moči grelnika. Med rastjo monokristalov SiC enakomernost temperature pomembno vpliva na kakovost kristala. Porazdelitev ogrevalne moči mora zagotavljati enakomernost temperature v toplotnem polju. Z numerično simulacijo in eksperimentalnim preverjanjem je mogoče določiti razmerje med ogrevalno močjo in porazdelitvijo temperature, nato pa je mogoče optimizirati shemo porazdelitve ogrevalne moči, da bo porazdelitev temperature v toplotnem polju bolj enakomerna in stabilna. Med rastjo monokristalov SiC bi moral nadzor moči ogrevanja omogočati natančno regulacijo in stabilno kontrolo temperature. Algoritme samodejnega krmiljenja, kot je PID krmilnik ali mehki krmilnik, je mogoče uporabiti za doseganje zaprtozančnega nadzora ogrevalne moči na podlagi podatkov o temperaturi v realnem času, ki jih posredujejo temperaturni senzorji, da se zagotovi stabilnost in enakomernost temperature v termičnem polju. Med rastjo monokristalov SiC bo velikost ogrevalne moči neposredno vplivala na hitrost rasti kristalov. Nadzor ogrevalne moči bi moral omogočati natančno regulacijo hitrosti rasti kristalov. Z analizo in eksperimentalnim preverjanjem razmerja med močjo ogrevanja in hitrostjo rasti kristalov je mogoče določiti razumno strategijo nadzora moči ogrevanja za doseganje natančnega nadzora hitrosti rasti kristalov. Med delovanjem opreme za rast monokristalov SiC stabilnost ogrevalne moči pomembno vpliva na kakovost rasti kristalov. Za zagotovitev stabilnosti in zanesljivosti ogrevalne moči so potrebni stabilna in zanesljiva ogrevalna oprema in krmilni sistemi. Ogrevalno opremo je potrebno redno vzdrževati in servisirati, da pravočasno odkrijemo in odpravimo okvare in težave na ogrevalni opremi ter zagotovimo normalno delovanje opreme in stabilno oddajanje ogrevalne moči. Z racionalnim načrtovanjem distribucijske sheme ogrevalne moči, upoštevanjem razmerja med ogrevalno močjo in porazdelitvijo temperature, uresničevanjem natančnega nadzora ogrevalne moči ter zagotavljanjem stabilnosti in zanesljivosti ogrevalne moči je mogoče povečati učinkovitost rasti in kakovost kristalov opreme za rast monokristalov SiC. učinkovito izboljšati in se lahko spodbuja napredek in razvoj tehnologije rasti monokristalov SiC.

3.2 Načrtovanje in prilagoditev sistema za regulacijo temperature

Pred načrtovanjem sistema za nadzor temperature je potrebna analiza numerične simulacije za simulacijo in izračun procesov prenosa toplote, kot so toplotna prevodnost, konvekcija in sevanje med rastjo monokristalov SiC, da dobimo porazdelitev temperaturnega polja. Z eksperimentalnim preverjanjem se rezultati numerične simulacije popravijo in prilagodijo za določitev konstrukcijskih parametrov sistema za regulacijo temperature, kot so moč ogrevanja, postavitev območja ogrevanja in lokacija temperaturnega senzorja. Med rastjo monokristalov SiC se za ogrevanje običajno uporablja uporovno ali indukcijsko segrevanje. Treba je izbrati ustrezen grelni element. Za uporovno ogrevanje se lahko kot grelni element izbere visokotemperaturna uporna žica ali uporovna peč; za indukcijsko gretje je treba izbrati ustrezno indukcijsko grelno tuljavo ali indukcijsko grelno ploščo. Pri izbiri grelnega elementa je treba upoštevati dejavnike, kot so učinkovitost ogrevanja, enakomernost ogrevanja, odpornost na visoke temperature in vpliv na stabilnost toplotnega polja. Zasnova sistema za nadzor temperature mora upoštevati ne le stabilnost in enakomernost temperature, temveč tudi natančnost nastavitve temperature in hitrost odziva. Treba je oblikovati razumno strategijo nadzora temperature, kot je krmiljenje PID, mehko krmiljenje ali krmiljenje nevronske mreže, da se doseže natančen nadzor in prilagajanje temperature. Prav tako je treba oblikovati ustrezno shemo prilagajanja temperature, kot je nastavitev večtočkovne povezave, prilagoditev lokalne kompenzacije ali prilagoditev povratne informacije, da se zagotovi enakomerna in stabilna porazdelitev temperature celotnega toplotnega polja. Za uresničitev natančnega spremljanja in nadzora temperature med rastjo monokristalov SiC je treba sprejeti napredno tehnologijo zaznavanja temperature in krmilno opremo. Izberete lahko visokonatančne temperaturne senzorje, kot so termoelementi, toplotni upori ali infrardeči termometri za spremljanje temperaturnih sprememb na vsakem območju v realnem času, in izberete visoko zmogljivo opremo za nadzor temperature, kot je krmilnik PLC (glejte sliko 1) ali krmilnik DSP , za dosego natančnega nadzora in prilagajanja grelnih elementov. Z določitvijo konstrukcijskih parametrov na podlagi numerične simulacije in eksperimentalnih metod preverjanja, izbiro ustreznih metod ogrevanja in grelnih elementov, načrtovanjem razumnih strategij nadzora temperature in prilagoditvenih shem ter uporabo napredne tehnologije zaznavanja temperature in opreme krmilnika lahko učinkovito dosežete natančen nadzor in prilagoditev temperaturo med rastjo monokristalov SiC ter izboljšanje kakovosti in izkoristka monokristalov.

3.3 Računalniška simulacija dinamike tekočin

Vzpostavitev natančnega modela je osnova za simulacijo računalniške dinamike tekočin (CFD). Oprema za rast monokristalov SiC je običajno sestavljena iz grafitne peči, indukcijskega ogrevalnega sistema, lončka, zaščitnega plina itd. V procesu modeliranja je treba upoštevati kompleksnost strukture peči, značilnosti metode ogrevanja in vpliv gibanja materiala na polje toka. Tridimenzionalno modeliranje se uporablja za natančno rekonstrukcijo geometrijskih oblik peči, lončka, indukcijske tuljave itd., ter upošteva toplotne fizikalne parametre in robne pogoje materiala, kot sta moč ogrevanja in pretok plina.

Pri simulaciji CFD pogosto uporabljene numerične metode vključujejo metodo končnega volumna (FVM) in metodo končnih elementov (FEM). Glede na značilnosti opreme za rast monokristalov SiC se metoda FVM običajno uporablja za reševanje enačb pretoka tekočine in toplotne prevodnosti. Kar zadeva mreženje, je treba biti pozoren na razdelitev ključnih področij, kot sta površina grafitnega lončka in območje rasti posameznega kristala, da se zagotovi točnost rezultatov simulacije. Proces rasti monokristala SiC vključuje različne fizikalne procese, kot so toplotna prevodnost, prenos toplote zaradi sevanja, gibanje tekočine itd. Glede na dejansko situacijo se za simulacijo izberejo ustrezni fizični modeli in robni pogoji. Na primer, glede na toplotno prevodnost in prenos toplote zaradi sevanja med grafitnim lončkom in monokristalom SiC je treba nastaviti ustrezne mejne pogoje za prenos toplote; ob upoštevanju vpliva indukcijskega segrevanja na gibanje tekočine je treba upoštevati robne pogoje moči indukcijskega segrevanja.

Pred simulacijo CFD je potrebno nastaviti simulacijski časovni korak, konvergenčne kriterije in druge parametre ter izvesti izračune. Med postopkom simulacije je treba nenehno prilagajati parametre, da zagotovimo stabilnost in konvergenco rezultatov simulacije, ter naknadno obdelati rezultate simulacije, kot so porazdelitev temperaturnega polja, porazdelitev hitrosti tekočine itd., za nadaljnjo analizo in optimizacijo . Natančnost rezultatov simulacije se preveri s primerjavo s porazdelitvijo temperaturnega polja, kakovostjo monokristala in drugimi podatki v dejanskem procesu rasti. Glede na rezultate simulacije so struktura peči, način ogrevanja in drugi vidiki optimizirani za izboljšanje učinkovitosti rasti in kakovosti posameznega kristala SiC opreme za rast monokristalov. CFD simulacija oblikovanja toplotnega polja opreme za rast monokristalov SiC vključuje vzpostavitev natančnih modelov, izbiro ustreznih numeričnih metod in mreženja, določanje fizičnih modelov in robnih pogojev, nastavitev in izračun parametrov simulacije ter preverjanje in optimizacijo rezultatov simulacije. Znanstvena in razumna simulacija CFD lahko zagotovi pomembne reference za načrtovanje in optimizacijo opreme za rast monokristalov SiC ter izboljša učinkovitost rasti in kakovost monokristalov.

3.4 Konstrukcija peči

Glede na to, da rast monokristala SiC zahteva visoko temperaturo, kemično inertnost in dobro toplotno prevodnost, je treba material za telo peči izbrati med materiali, odpornimi na visoke temperature in korozijo, kot je keramika iz silicijevega karbida (SiC), grafit itd. Material SiC ima odlične lastnosti. visoka temperaturna stabilnost in kemična inertnost ter je idealen material za telo peči. Notranja stenska površina ohišja peči mora biti gladka in enakomerna, da se zmanjša toplotno sevanje in odpornost proti prenosu toplote ter izboljša stabilnost toplotnega polja. Strukturo peči je treba čim bolj poenostaviti, z manj strukturnimi plastmi, da se izognemo koncentraciji toplotnih napetosti in čezmernemu temperaturnemu gradientu. Cilindrična ali pravokotna struktura se običajno uporablja za lažjo enakomerno porazdelitev in stabilnost toplotnega polja. Pomožni grelni elementi, kot so grelne tuljave in upori, so nameščeni znotraj peči, da izboljšajo enakomernost temperature in stabilnost toplotnega polja ter zagotovijo kakovost in učinkovitost rasti monokristala. Običajne metode ogrevanja vključujejo indukcijsko ogrevanje, uporovno ogrevanje in ogrevanje s sevanjem. V opremi za rast monokristalov SiC se pogosto uporablja kombinacija indukcijskega ogrevanja in uporovnega ogrevanja. Indukcijsko ogrevanje se uporablja predvsem za hitro segrevanje za izboljšanje enakomernosti temperature in stabilnosti toplotnega polja; uporovno ogrevanje se uporablja za vzdrževanje stalne temperature in temperaturnega gradienta za ohranjanje stabilnosti procesa rasti. Ogrevanje s sevanjem lahko izboljša enakomernost temperature v peči, vendar se običajno uporablja kot pomožna metoda ogrevanja.

4 Zaključek

Z naraščajočim povpraševanjem po materialih SiC v močnostni elektroniki, optoelektroniki in na drugih področjih bo razvoj tehnologije rasti monokristalov SiC postal ključno področje znanstvenih in tehnoloških inovacij. Kot jedro opreme za rast monokristalov SiC bo oblikovanje termičnega polja še naprej deležno velike pozornosti in poglobljenih raziskav. Prihodnje razvojne smeri vključujejo nadaljnjo optimizacijo strukture termičnega polja in nadzornega sistema za izboljšanje proizvodne učinkovitosti in kakovosti monokristalov; raziskovanje novih materialov in tehnologij obdelave za izboljšanje stabilnosti in vzdržljivosti opreme; in integracijo inteligentne tehnologije za doseganje samodejnega nadzora in daljinskega nadzora opreme.