Termálmező kialakítása a SIC egykristálynövekedéshez

1 A hőkezelés fontossága a SIC egykristályos növekedési berendezésekben

A SIC egyetlen kristály egy fontos félvezető anyag, amelyet széles körben használnak az elektronikában, az optoelektronikában és a magas hőmérsékleten. A termálmező kialakítása közvetlenül befolyásolja a kristály kristályosodási viselkedését, egységességét és szennyeződés -szabályozását, és döntő hatással van a SIC egykristályos növekedési berendezések teljesítményére és teljesítményére. A SIC egykristály minősége közvetlenül befolyásolja annak teljesítményét és megbízhatóságát az eszközgyártásban. A termikus mező ésszerűen történő megtervezésével a kristálynövekedés során a hőmérséklet -eloszlás egységessége el lehet kerülni, elkerülhető a termikus feszültség és a termikus gradiens a kristályban, ezáltal csökkentve a kristályhibák képződési sebességét. Az optimalizált hőkezelő kialakítása javíthatja a kristályfelületminőséget és a kristályosodási sebességet is, tovább javíthatja a kristály szerkezeti integritását és kémiai tisztaságát, és biztosíthatja, hogy a termesztett SIC egykristály jó elektromos és optikai tulajdonságokkal rendelkezik.

A SiC egykristály növekedési üteme közvetlenül befolyásolja a termelési költségeket és a kapacitást. A termikus tér racionális tervezésével optimalizálható a hőmérséklet gradiens és a hőáramlás eloszlása ​​a kristálynövekedési folyamat során, és javítható a kristály növekedési sebessége és a növekedési terület effektív kihasználtsága. A termikus mező kialakítása csökkentheti az energiaveszteséget és az anyagpazarlást a növekedési folyamat során, csökkentheti a termelési költségeket és javíthatja a termelés hatékonyságát, ezáltal növelve a SiC egykristályok kibocsátását. A SiC egykristály növesztő berendezések általában nagy mennyiségű energiaellátó és hűtési rendszert igényelnek, és a termikus mező ésszerű tervezésével csökkenthető az energiafogyasztás, az energiafogyasztás és a környezeti kibocsátások. A termikus térszerkezet és a hőáramlási útvonal optimalizálásával az energia maximalizálható, a hulladékhő pedig újrahasznosítható az energiahatékonyság javítása és a környezetre gyakorolt ​​negatív hatások csökkentése érdekében.

2 Nehézség a SIC egykristályos növekedési berendezések hőkezelőjének kialakításában

2.1 Az anyagok hővezető képességének nem egyenletessége

A SiC egy nagyon fontos félvezető anyag. Hővezető képessége a magas hőmérséklet-stabilitás és a kiváló hővezetőképesség jellemzőivel rendelkezik, de a hővezető képesség eloszlása ​​bizonyos egyenetlenséget mutat. A SiC egykristálynövekedés folyamatában a kristálynövekedés egyenletességének és minőségének biztosítása érdekében a termikus mezőt pontosan szabályozni kell. A SiC anyagok hővezető képességének egyenetlensége a termikus téreloszlás instabilitásához vezet, ami viszont befolyásolja a kristálynövekedés egyenletességét és minőségét. A szilícium-karbamid egykristály-növesztő berendezései általában fizikai gőzleválasztásos (PVT) vagy gázfázisú transzport módszert alkalmaznak, amely megköveteli a magas hőmérsékletű környezet fenntartását a növekedési kamrában, és a kristálynövekedés megvalósítását a hőmérséklet-eloszlás pontos szabályozásával. A SiC anyagok hővezető képességének egyenetlensége nem egyenletes hőmérséklet-eloszláshoz vezet a növesztőkamrában, ezáltal befolyásolja a kristálynövekedési folyamatot, ami kristályhibákat vagy nem egyenletes kristályminőséget okozhat. A SiC egykristályok növekedése során szükség van a hőtér háromdimenziós dinamikus szimulációjára és elemzésére, hogy jobban megértsük a hőmérséklet-eloszlás változó törvényét, és a szimulációs eredmények alapján optimalizáljuk a tervezést. A SiC anyagok hővezető képességének egyenetlensége miatt ezeket a szimulációs elemzéseket bizonyos fokú hiba befolyásolhatja, ami befolyásolja a hőmező pontos szabályozását és optimalizálását.

2.2 A konvekció szabályozásának nehézsége a berendezésen belül

A SiC egykristályok növekedése során szigorú hőmérséklet-szabályozást kell fenntartani a kristályok egyenletességének és tisztaságának biztosítása érdekében. A berendezésen belüli konvekciós jelenség a hőmérsékleti mező egyenetlenségét okozhatja, ami befolyásolja a kristályok minőségét. A konvekció általában hőmérsékleti gradienst hoz létre, ami egyenetlen szerkezetet eredményez a kristály felületén, ami viszont befolyásolja a kristályok teljesítményét és alkalmazását. A jó konvekciós szabályozás beállíthatja a gázáramlás sebességét és irányát, ami segít csökkenteni a kristályfelület egyenetlenségét és javítani a növekedési hatékonyságot. A berendezésen belüli bonyolult geometriai szerkezet és gázdinamikai folyamat rendkívül megnehezíti a konvekció pontos szabályozását. A magas hőmérsékletű környezet a hőátadás hatékonyságának csökkenéséhez vezet, és növeli a hőmérsékleti gradiens kialakulását a berendezésen belül, ami befolyásolja a kristálynövekedés egyenletességét és minőségét. Egyes korrozív gázok hatással lehetnek a berendezés belsejében lévő anyagokra és hőátadó elemekre, ezáltal befolyásolva a konvekció stabilitását és szabályozhatóságát. A SiC egykristály-növesztő berendezés általában összetett szerkezettel és többféle hőátadó mechanizmussal rendelkezik, mint például a sugárzási hőátadás, a konvekciós hőátadás és a hővezetés. Ezek a hőátadó mechanizmusok egymással párosulva bonyolultabbá teszik a konvekció szabályozását, különösen akkor, ha a berendezésen belül többfázisú áramlási és fázisváltási folyamatok zajlanak, nehezebb a konvekció pontos modellezése és szabályozása.

A SIC egykristályos növekedési berendezések hőkezelőjének 3 kulcsfontosságú pontja

3.1 Fűtési teljesítmény elosztása és szabályozása

A termálmező kialakításában a fűtési teljesítmény elosztási módját és vezérlési stratégiáját a folyamatparaméterek és a kristálynövekedés követelményeinek megfelelően kell meghatározni. A SIC egykristályos növekedési berendezés grafit fűtő rudakat vagy indukciós fűtőberendezéseket használ a fűtéshez. A termikus mező egységességét és stabilitását a fűtés elrendezésének és energiaeloszlásának megtervezésével lehet elérni. A SIC egykristályok növekedése során a hőmérsékleti egységesség fontos hatással van a kristály minőségére. A fűtési teljesítmény eloszlásának képesnek kell lennie arra, hogy biztosítsa a hőmérséklet egységességét a termálmezőben. A numerikus szimuláció és a kísérleti ellenőrzés révén meghatározható a fűtési teljesítmény és a hőmérséklet -eloszlás közötti kapcsolat, majd a fűtési teljesítmény -eloszlási séma optimalizálható, hogy a hőmérséklet -eloszlás a hőterületben egységesebb és stabilabb legyen. A SIC egyetlen kristályok növekedése során a fűtési teljesítmény szabályozásának képesnek kell lennie arra, hogy pontos szabályozást és a hőmérséklet stabil szabályozását elérje. Az automatikus vezérlő algoritmusok, például a PID-vezérlő vagy a fuzzy vezérlő felhasználhatók a fűtési teljesítmény zárt hurkú vezérlésének elérésére valós idejű hőmérsékleti adatok alapján, amelyek a hőmérséklet-érzékelők által visszaküldenek, hogy biztosítsák a hőmérséklet stabilitását és egyenletességét a hőterületen. A SIC egykristályok növekedése során a fűtési teljesítmény közvetlenül befolyásolja a kristály növekedési sebességét. A fűtési teljesítmény szabályozásának képesnek kell lennie a kristály növekedési ütemének pontos szabályozására. A fűtési teljesítmény és a kristály növekedési ütemének kapcsolatának elemzésével és kísérletes ellenőrzésével egy ésszerű fűtési teljesítmény -ellenőrzési stratégia meghatározható a kristály növekedési ütemének pontos ellenőrzésének elérése érdekében. A SIC egykristályos növekedési berendezések működése során a fűtési teljesítmény stabilitása fontos hatással van a kristálynövekedés minőségére. Stabil és megbízható fűtési berendezésekre és vezérlőrendszerekre van szükség a fűtési teljesítmény stabilitásának és megbízhatóságának biztosítása érdekében. A fűtőberendezést rendszeresen karbantartani és kiszolgálni kell a fűtőkészülék hibáinak és problémáinak megfelelő felfedezéséhez és megoldásához a berendezés normál működésének és a fűtési teljesítmény stabil kimenetének biztosítása érdekében. A fűtési teljesítmény -eloszlási séma és a fűtési teljesítmény és a hőmérséklet -eloszlás közötti kapcsolat figyelembevételével, a fűtési teljesítmény pontos ellenőrzésével, valamint a fűtési teljesítmény stabilitásának és megbízhatóságának biztosításával, a SIC egykristály -növekedési berendezések növekedési hatékonyságának és kristályminőségének biztosítása révén lehetnek. Hatékonyan javult, és előmozdítható a SIC egykristályos növekedési technológia fejlődése és fejlesztése.

3.2 Hőmérséklet-szabályozó rendszer tervezése és beállítása

A hőmérséklet -szabályozó rendszer megtervezése előtt numerikus szimulációs elemzésre van szükség a hőátadási folyamatok, például a hővezetés, a konvekció és a sugárzás szimulálásához és kiszámításához a SIC egyetlen kristályok növekedése során, hogy a hőmérsékleti mező eloszlását megkapja. A kísérleti ellenőrzés révén a numerikus szimulációs eredményeket kijavítják és beállítják a hőmérséklet -szabályozó rendszer tervezési paramétereinek meghatározása érdekében, például a fűtési teljesítmény, a fűtési terület elrendezését és a hőmérséklet -érzékelő helyét. A SIC egykristályok növekedése során az ellenállás -fűtést vagy az indukciós fűtést általában fűtésre használják. Kiválasztani kell egy megfelelő fűtési elemet. Az ellenállás fűtéséhez magas hőmérsékletű ellenállás huzal vagy ellenállás kemence választható fűtőelemként; Az indukciós fűtéshez megfelelő indukciós fűtési tekercset vagy indukciós fűtési lemezt kell kiválasztani. A fűtési elem kiválasztásakor olyan tényezőket kell figyelembe venni, mint a fűtési hatékonyság, a fűtési egységesség, a magas hőmérséklet -ellenállás és a termikus mező stabilitására gyakorolt ​​hatást. A hőmérséklet -szabályozó rendszer kialakításának nemcsak a hőmérséklet stabilitását és egységességét, hanem a hőmérséklet -beállítás pontosságát és a válaszsebességet is figyelembe kell vennie. Meg kell tervezni egy ésszerű hőmérséklet -szabályozási stratégiát, például a PID -vezérlést, a fuzzy vezérlést vagy az ideghálózat -vezérlést, hogy elérjék a hőmérséklet pontos szabályozását és beállítását. Meg kell tervezni egy megfelelő hőmérséklet-beállítási sémát, például a többpontos kapcsolódási beállítást, a helyi kompenzáció beállítását vagy a visszacsatolás beállítását a teljes hőterőt egyenletes és stabil hőmérsékleti eloszlás biztosítása érdekében. Annak érdekében, hogy felismerjük a hőmérséklet pontos megfigyelését és szabályozását a SIC egykristályok növekedése során, a fejlett hőmérséklet -érzékelési technológiát és a vezérlőberendezéseket kell alkalmazni. Kiválaszthat nagy pontosságú hőmérsékleti érzékelőket, például hőelemeket, hőhatást vagy infravörös hőmérőket az egyes területek hőmérsékleti változásainak valós időben történő megfigyelésére, és válassza a nagy teljesítményű hőmérséklet-vezérlő berendezéseket, például a PLC vezérlőt (lásd az 1. ábrát) vagy a DSP vezérlőt , a fűtési elemek pontos ellenőrzéséhez és beállításához. A numerikus szimulációs és kísérleti ellenőrzési módszerek alapján a tervezési paraméterek meghatározásával, a megfelelő fűtési módszerek és a fűtési elemek kiválasztásával, az ésszerű hőmérséklet -ellenőrzési stratégiák és a beállítási rendszerek kidolgozásával, valamint a fejlett hőmérséklet -érzékelési technológiával és a vezérlő berendezésekkel való felhasználásával hatékonyan elérheti a pontos irányítást és beállítását. A hőmérséklet a SIC egykristályok növekedése során, és javítja az egyes kristályok minőségét és hozamát.

3.3 Számítógépes folyadékdinamikai szimuláció

A pontos modell létrehozása az alapja a számítási folyadékdinamika (CFD) szimulációnak. A SIC egykristálynövekedési berendezések általában grafitkemencéből, indukciós fűtési rendszerből, tégelyből, védőgázból stb. A modellezési folyamatban kell figyelembe venni a kemence szerkezetének összetettségét, a fűtési módszer tulajdonságait , és az anyagmozgás hatása az áramlási mezőre. A háromdimenziós modellezést a kemence, a tégely, az indukciós tekercs stb. Geometriai alakjának pontos rekonstrukciójára használják, és figyelembe veszik az anyag termikus fizikai paramétereit és határfeltételeit, például a fűtési teljesítményt és a gázáramlási sebességet.

A CFD szimulációban az általánosan használt numerikus módszerek közé tartozik a véges térfogat módszer (FVM) és a végeselem módszer (FEM). Tekintettel a SiC egykristály-növesztő berendezés jellemzőire, az FVM módszert általában a folyadékáramlási és hővezetési egyenletek megoldására használják. A hálózás szempontjából ügyelni kell a kulcsterületek felosztására, mint például a grafittégely felülete és az egykristály növekedési terület, hogy biztosítsuk a szimulációs eredmények pontosságát. A SiC egykristály növekedési folyamata számos fizikai folyamatot foglal magában, mint például a hővezetés, a sugárzási hőátadás, a folyadék mozgása stb. A szimulációhoz az aktuális helyzetnek megfelelően kiválasztják a megfelelő fizikai modelleket és peremfeltételeket. Például figyelembe véve a grafittégely és a SiC egykristály közötti hővezetést és sugárzási hőátadást, megfelelő hőátadási határfeltételeket kell beállítani; figyelembe véve az indukciós fűtés hatását a folyadék mozgására, figyelembe kell venni az indukciós fűtési teljesítmény peremfeltételeit.

A CFD szimuláció előtt be kell állítani a szimulációs időlépést, a konvergenciakritériumokat és egyéb paramétereket, valamint számításokat kell végezni. A szimulációs folyamat során szükséges a paraméterek folyamatos módosítása a szimulációs eredmények stabilitásának és konvergenciájának biztosítása érdekében, valamint a szimulációs eredmények utófeldolgozása, mint például a hőmérsékleti téreloszlás, a folyadéksebesség-eloszlás stb., további elemzések és optimalizálás céljából. . A szimulációs eredmények pontosságát a hőmérsékleti téreloszlással, az egykristály minőségével és a tényleges növekedési folyamat egyéb adataival való összehasonlítással igazoljuk. A szimulációs eredmények szerint a kemence szerkezetét, a fűtési módszert és egyéb szempontokat optimalizálták a SiC egykristály növesztő berendezés növekedési hatékonyságának és egykristály minőségének javítása érdekében. A SiC egykristály növesztő berendezés termikus tértervezésének CFD szimulációja magában foglalja a pontos modellek felállítását, a megfelelő numerikus módszerek és hálózás kiválasztását, a fizikai modellek és peremfeltételek meghatározását, a szimulációs paraméterek beállítását és kiszámítását, valamint a szimulációs eredmények ellenőrzését és optimalizálását. A tudományos és ésszerű CFD-szimuláció fontos referenciaként szolgálhat a SiC egykristály-tenyésztő berendezés tervezéséhez és optimalizálásához, valamint javíthatja a növekedési hatékonyságot és az egykristály minőségét.

3.4 A kemenceszerkezet kialakítása

Figyelembe véve, hogy a szilícium-karbid egykristály növekedéséhez magas hőmérséklet, kémiai tehetetlenség és jó hővezető képesség szükséges, a kemence testének anyagát magas hőmérsékletű és korrózióálló anyagok közül kell kiválasztani, mint például szilícium-karbid kerámia (SiC), grafit stb. magas hőmérsékleti stabilitás és kémiai tehetetlenség, és ideális kemencetest anyag. A kemencetest belső falfelületének simának és egyenletesnek kell lennie a hősugárzás és a hőátadási ellenállás csökkentése, valamint a hőtér stabilitásának javítása érdekében. A kemence szerkezetét a lehető legnagyobb mértékben le kell egyszerűsíteni, kevesebb szerkezeti réteggel, hogy elkerüljük a hőfeszültség-koncentrációt és a túlzott hőmérsékleti gradienst. Általában hengeres vagy téglalap alakú szerkezetet használnak a hőtér egyenletes eloszlásának és stabilitásának elősegítésére. Kiegészítő fűtőelemek, például fűtőtekercsek és ellenállások a kemencében vannak beállítva, hogy javítsák a hőmérséklet egyenletességét és a termikus tér stabilitását, valamint biztosítsák az egykristály növekedés minőségét és hatékonyságát. Az általános fűtési módszerek közé tartozik az indukciós fűtés, az ellenállásfűtés és a sugárfűtés. A SiC egykristály növesztő berendezésekben gyakran alkalmazzák az indukciós fűtés és az ellenállásfűtés kombinációját. Az indukciós fűtést főként gyors melegítésre használják a hőmérséklet egyenletességének és a termikus tér stabilitásának javítása érdekében; az ellenállásfűtést állandó hőmérséklet és hőmérséklet-gradiens fenntartására használják a növekedési folyamat stabilitásának megőrzése érdekében. A sugárfűtés javíthatja a hőmérséklet egyenletességét a kemencében, de általában kiegészítő fűtési módszerként használják.

4 Következtetés

A SiC anyagok iránti növekvő kereslet következtében a teljesítményelektronikában, az optoelektronikában és más területeken a SiC egykristály növekedési technológia fejlesztése a tudományos és technológiai innováció kulcsfontosságú területévé válik. A szilícium-karbamid egykristály-növesztő berendezés magjaként a termikus mező tervezése továbbra is nagy figyelmet és mélyreható kutatást fog kapni. A jövőbeli fejlesztési irányok közé tartozik a termikus térszerkezet és a vezérlőrendszer további optimalizálása a termelés hatékonyságának és az egykristály minőségének javítása érdekében; új anyagok és feldolgozási technológiák feltárása a berendezések stabilitásának és tartósságának javítása érdekében; és intelligens technológia integrálása a berendezések automatikus vezérlése és távfelügyelete érdekében.