Thermisch veldontwerp voor SiC -groei van enkele kristal

1 Belang van thermisch veldontwerp in SiC-apparatuur voor monokristalgroei

SIC Single Crystal is een belangrijk halfgeleidermateriaal, dat op grote schaal wordt gebruikt in stroomelektronica, opto-elektronica en toepassingen met een hoge temperatuur. Thermisch veldontwerp heeft direct invloed op het kristallisatiegedrag, de uniformiteit en de onzuiverheidscontrole van het kristal en heeft een beslissende invloed op de prestaties en output van SIC -apparatuur voor single crystal groei. De kwaliteit van SIC Single Crystal heeft direct invloed op zijn prestaties en betrouwbaarheid bij de productie van apparaten. Door het thermische veld rationeel te ontwerpen, kan de uniformiteit van de temperatuurverdeling tijdens kristalgroei worden bereikt, kan thermische spanning en thermische gradiënt in het kristal worden vermeden, waardoor de vormingssnelheid van kristalafwijkingen wordt verminderd. Geoptimaliseerd thermisch veldontwerp kan ook de kristalgezichtskwaliteit en kristallisatiesnelheid verbeteren, de structurele integriteit en chemische zuiverheid van het kristal verder verbeteren en ervoor zorgen dat het volwassen SIC -enkelkristal goede elektrische en optische eigenschappen heeft.

De groeisnelheid van SiC-monokristal heeft rechtstreeks invloed op de productiekosten en capaciteit. Door het thermische veld rationeel te ontwerpen, kunnen de temperatuurgradiënt en de warmtestroomverdeling tijdens het kristalgroeiproces worden geoptimaliseerd, en kunnen de groeisnelheid van het kristal en de effectieve benuttingsgraad van het groeigebied worden verbeterd. Het ontwerp van het thermische veld kan ook energieverlies en materiaalverspilling tijdens het groeiproces verminderen, de productiekosten verlagen en de productie-efficiëntie verbeteren, waardoor de output van SiC-eenkristallen toeneemt. SiC-apparatuur voor monokristalgroei vereist gewoonlijk een grote hoeveelheid energietoevoer en een koelsysteem, en het rationeel ontwerpen van het thermische veld kan het energieverbruik, het energieverbruik en de milieu-emissies verminderen. Door de thermische veldstructuur en het warmtestroompad te optimaliseren, kan de energie worden gemaximaliseerd en kan afvalwarmte worden gerecycled om de energie-efficiëntie te verbeteren en de negatieve gevolgen voor het milieu te verminderen.

2 moeilijkheden bij het ontwerpen van thermisch veld van SIC Single Crystal Growth Apparatuur

2.1 Niet-uniformiteit van de thermische geleidbaarheid van materialen

SIC is een zeer belangrijk halfgeleidermateriaal. De thermische geleidbaarheid heeft de kenmerken van stabiliteit met hoge temperatuur en uitstekende thermische geleidbaarheid, maar de thermische geleidingsverdeling heeft een bepaalde niet-uniformiteit. In het proces van SiC -groei van enkele kristal, om de uniformiteit en kwaliteit van kristalgroei te waarborgen, moet het thermische veld nauwkeurig worden geregeld. De niet-uniformiteit van de thermische geleidbaarheid van SiC-materialen zal leiden tot de instabiliteit van de verdeling van de thermische veld, die op zijn beurt de uniformiteit en kwaliteit van kristalgroei beïnvloedt. SIC Single Crystal Growth Equipment neemt meestal de fysieke dampafzetting (PVT) -methode of gasfase transportmethode aan, waarvoor het handhaven van een hoge temperatuuromgeving in de groeimamer moet worden gehandhaafd en de kristalgroei realiseert door de temperatuurverdeling nauwkeurig te regelen. De niet-uniformiteit van de thermische geleidbaarheid van SiC-materialen zal leiden tot niet-uniforme temperatuurverdeling in de groeikamer, waardoor het kristalgroeiproces wordt beïnvloed, wat kristaldefecten of niet-uniforme kristalkwaliteit kan veroorzaken. Tijdens de groei van SIC enkele kristallen is het noodzakelijk om driedimensionale dynamische simulatie en analyse van het thermische veld uit te voeren om de veranderende wet van temperatuurverdeling beter te begrijpen en het ontwerp te optimaliseren op basis van de simulatieresultaten. Vanwege de niet-uniformiteit van de thermische geleidbaarheid van SiC-materialen, kunnen deze simulatieanalyses worden beïnvloed door een bepaalde mate van fouten, waardoor het precieze controle- en optimalisatieontwerp van het thermische veld wordt beïnvloed.

2.2 Moeilijkheid van convectieregulering in de apparatuur

Tijdens de groei van SiC-eenkristallen moet een strikte temperatuurcontrole worden gehandhaafd om de uniformiteit en zuiverheid van de kristallen te garanderen. Het convectiefenomeen in de apparatuur kan de niet-uniformiteit van het temperatuurveld veroorzaken, waardoor de kwaliteit van de kristallen wordt beïnvloed. Convectie vormt meestal een temperatuurgradiënt, wat resulteert in een niet-uniforme structuur op het kristaloppervlak, wat op zijn beurt de prestaties en toepassing van de kristallen beïnvloedt. Een goede convectiecontrole kan de snelheid en richting van de gasstroom aanpassen, wat helpt de niet-uniformiteit van het kristaloppervlak te verminderen en de groei-efficiëntie te verbeteren. De complexe geometrische structuur en het gasdynamicaproces in de apparatuur maken het uiterst moeilijk om de convectie nauwkeurig te regelen. Een omgeving met hoge temperaturen zal leiden tot een afname van de efficiëntie van de warmteoverdracht en zal de vorming van een temperatuurgradiënt in de apparatuur vergroten, waardoor de uniformiteit en kwaliteit van de kristalgroei wordt beïnvloed. Sommige corrosieve gassen kunnen de materialen en warmteoverdrachtselementen in de apparatuur aantasten, waardoor de stabiliteit en beheersbaarheid van convectie worden aangetast. SiC-apparatuur voor monokristalgroei heeft gewoonlijk een complexe structuur en meerdere mechanismen voor warmteoverdracht, zoals stralingswarmteoverdracht, convectiewarmteoverdracht en warmtegeleiding. Deze mechanismen voor warmteoverdracht zijn met elkaar gekoppeld, waardoor de convectieregeling ingewikkelder wordt. Vooral als er meerfasige stromings- en faseveranderingsprocessen in de apparatuur plaatsvinden, is het moeilijker om de convectie nauwkeurig te modelleren en te controleren.

3 Belangrijke punten van het thermische veldontwerp van SiC Single Crystal Growth Equipment

3.1 Distributie en regeling van verwarmingsvermogen

In het ontwerp van het thermische veld moet de distributiemodus en de besturingsstrategie van het verwarmingsvermogen worden bepaald volgens de procesparameters en vereisten van kristalgroei. SIC Single Crystal Growth Apparatuur maakt gebruik van grafietverwarmingsstaven of inductiekachels voor verwarming. De uniformiteit en stabiliteit van het thermische veld kan worden bereikt door de lay -out en vermogensverdeling van de verwarming te ontwerpen. Tijdens de groei van SIC enkele kristallen heeft de temperatuuruniformiteit een belangrijke invloed op de kwaliteit van het kristal. De verdeling van het verwarmingsvermogen moet de uniformiteit van de temperatuur in het thermische veld kunnen waarborgen. Door numerieke simulatie en experimentele verificatie kan de relatie tussen verwarmingsvermogen en temperatuurverdeling worden bepaald, en vervolgens kan het verwarmingsverdelingsschema worden geoptimaliseerd om de temperatuurverdeling in het thermische veld uniformer en stabieler te maken. Tijdens de groei van SIC -enkele kristallen moet de controle van het verwarmingsvermogen in staat zijn om precieze regulatie en stabiele regeling van de temperatuur te bereiken. Automatische besturingsalgoritmen zoals PID-controller of fuzzy-controller kunnen worden gebruikt om gesloten-luscontrole van verwarmingsvermogen te bereiken op basis van realtime temperatuurgegevens die worden teruggevoerd door temperatuursensoren om de stabiliteit en uniformiteit van de temperatuur in het thermische veld te waarborgen. Tijdens de groei van SIC enkele kristallen zal de grootte van het verwarmingsvermogen de kristalgroeisnelheid direct beïnvloeden. De controle van het verwarmingsvermogen moet in staat zijn om een ​​precieze regulatie van kristalgroeisnelheid te bereiken. Door het analyseren en experimenteel te verifiëren van de relatie tussen verwarmingsvermogen en kristalgroeisnelheid, kan een redelijke strategie voor verwarmingsvermogenscontrole worden bepaald om een ​​precieze controle van de kristalgroeisnelheid te bereiken. Tijdens de werking van SIC -apparatuur met één kristalgroei heeft de stabiliteit van verwarmingsvermogen een belangrijke invloed op de kwaliteit van de kristalgroei. Stabiele en betrouwbare verwarmingsapparatuur en besturingssystemen zijn vereist om de stabiliteit en betrouwbaarheid van verwarmingsvermogen te waarborgen. De verwarmingsapparatuur moet regelmatig worden onderhouden en onderhouden om fouten en problemen in de verwarmingsapparatuur tijdig te ontdekken en op te lossen om de normale werking van de apparatuur en de stabiele output van het verwarmingsvermogen te waarborgen. Door rationeel het verdelingsschema van het verwarmingsvermogen te ontwerpen, kan rekening worden gehouden met de relatie tussen verwarmingsvermogen en temperatuurverdeling, het realiseren van precieze controle van verwarmingsvermogen en het waarborgen van de stabiliteit en betrouwbaarheid van verwarmingsvermogen, de groei -efficiëntie en kristalkwaliteit van SIC Single Crystal Growth Equipment kunnen zijn effectief verbeterd en de vooruitgang en ontwikkeling van SIC single crystal groeipechnologie kan worden bevorderd.

3.2 Ontwerp en aanpassing van het temperatuurregelsysteem

Voordat het temperatuurregelsysteem wordt ontworpen, is numerieke simulatieanalyse vereist om de warmteoverdrachtsprocessen zoals warmtegeleiding, convectie en straling tijdens de groei van SiC-monokristallen te simuleren en te berekenen om de verdeling van het temperatuurveld te verkrijgen. Door middel van experimentele verificatie worden de numerieke simulatieresultaten gecorrigeerd en aangepast om de ontwerpparameters van het temperatuurregelsysteem te bepalen, zoals verwarmingsvermogen, indeling van het verwarmingsgebied en de locatie van de temperatuursensor. Tijdens de groei van SiC-eenkristallen wordt meestal weerstandsverwarming of inductieverwarming gebruikt voor verwarming. Het is noodzakelijk om een ​​geschikt verwarmingselement te selecteren. Voor weerstandsverwarming kan als verwarmingselement een weerstandsdraad op hoge temperatuur of een weerstandsoven worden geselecteerd; voor inductieverwarming moet een geschikte inductieverwarmingsspiraal of inductieverwarmingsplaat worden geselecteerd. Bij het selecteren van een verwarmingselement moet rekening worden gehouden met factoren zoals verwarmingsefficiëntie, verwarmingsuniformiteit, hoge temperatuurbestendigheid en de impact op de stabiliteit van het thermische veld. Bij het ontwerp van het temperatuurregelsysteem moet niet alleen rekening worden gehouden met de stabiliteit en uniformiteit van de temperatuur, maar ook met de nauwkeurigheid van de temperatuuraanpassing en de reactiesnelheid. Het is noodzakelijk om een ​​redelijke strategie voor temperatuurregeling te ontwerpen, zoals PID-regeling, fuzzy-regeling of neurale netwerkregeling, om een ​​nauwkeurige regeling en aanpassing van de temperatuur te bereiken. Het is ook noodzakelijk om een ​​geschikt temperatuuraanpassingsschema te ontwerpen, zoals meerpuntskoppelingsaanpassing, lokale compensatieaanpassing of feedbackaanpassing, om een ​​uniforme en stabiele temperatuurverdeling van het gehele thermische veld te garanderen. Om de nauwkeurige monitoring en controle van de temperatuur tijdens de groei van SiC-eenkristallen te realiseren, is het noodzakelijk om geavanceerde temperatuursensortechnologie en controllerapparatuur toe te passen. U kunt kiezen voor zeer nauwkeurige temperatuursensoren zoals thermokoppels, thermische weerstanden of infraroodthermometers om de temperatuurveranderingen in elk gebied in realtime te bewaken, en u kunt kiezen voor hoogwaardige temperatuurregelaarapparatuur, zoals een PLC-controller (zie afbeelding 1) of een DSP-controller , voor een nauwkeurige controle en aanpassing van de verwarmingselementen. Door de ontwerpparameters te bepalen op basis van numerieke simulatie en experimentele verificatiemethoden, door de juiste verwarmingsmethoden en verwarmingselementen te selecteren, redelijke strategieën en aanpassingsschema's voor de temperatuur te ontwerpen, en door gebruik te maken van geavanceerde temperatuursensortechnologie en regelapparatuur, kunt u effectief nauwkeurige controle en aanpassing bereiken van de temperatuur tijdens de groei van SiC-enkele kristallen, en het verbeteren van de kwaliteit en opbrengst van enkele kristallen.

3.3 Computationele vloeistofdynamica-simulatie

Het opzetten van een nauwkeurig model is de basis voor computationele vloeistofdynamica (CFD)-simulatie. SiC-apparatuur voor eenkristalgroei bestaat meestal uit een grafietoven, een inductieverwarmingssysteem, een smeltkroes, een beschermend gas, enz. Bij het modelleringsproces moet rekening worden gehouden met de complexiteit van de ovenstructuur en de kenmerken van de verwarmingsmethode. en de invloed van materiaalbeweging op het stromingsveld. Driedimensionale modellering wordt gebruikt om de geometrische vormen van de oven, smeltkroes, inductiespoel, enz. nauwkeurig te reconstrueren en rekening te houden met de thermische fysieke parameters en randvoorwaarden van het materiaal, zoals verwarmingsvermogen en gasstroomsnelheid.

In CFD -simulatie omvatten vaak gebruikte numerieke methoden de eindige volumemethode (FVM) en de eindige -elementenmethode (FEM). Gezien de kenmerken van SIC -apparatuur voor één kristalgroei, wordt de FVM -methode in het algemeen gebruikt om de vloeistofstroom- en warmtegeleidingsvergelijkingen op te lossen. In termen van meshing is het noodzakelijk om aandacht te schenken aan onderverdeling van belangrijke gebieden, zoals het Graphite Crucible Surface en het Single Crystal Growth Area, om de nauwkeurigheid van de simulatieresultaten te waarborgen. Het groeiproces van SIC -enkelkristal omvat een verscheidenheid aan fysieke processen, zoals warmtegeleiding, stralingswarmteoverdracht, vloeistofbeweging, enz. Volgens de werkelijke situatie worden geschikte fysieke modellen en randvoorwaarden geselecteerd voor simulatie. Bijvoorbeeld, rekening houdend met de warmtegeleiding en stralingswarmteoverdracht tussen het grafiet -smeltkroes en het SiC -enkele kristal, moeten de juiste warmtetransfergrensvoorwaarden worden ingesteld; Gezien de invloed van inductieverwarming op vloeistofbeweging, moeten de grensvoorwaarden van inductieverwarmingsvermogen worden overwogen.

Vóór CFD-simulatie is het noodzakelijk om de simulatietijdstap, convergentiecriteria en andere parameters in te stellen en berekeningen uit te voeren. Tijdens het simulatieproces is het noodzakelijk om de parameters voortdurend aan te passen om de stabiliteit en convergentie van de simulatieresultaten te garanderen, en de simulatieresultaten na te bewerken, zoals temperatuurveldverdeling, vloeistofsnelheidsverdeling, enz., voor verdere analyse en optimalisatie . De nauwkeurigheid van de simulatieresultaten wordt geverifieerd door vergelijking met de temperatuurveldverdeling, de kwaliteit van het monokristal en andere gegevens in het feitelijke groeiproces. Volgens de simulatieresultaten zijn de ovenstructuur, de verwarmingsmethode en andere aspecten geoptimaliseerd om de groei-efficiëntie en de monokristallijne kwaliteit van SiC-monokristalgroeiapparatuur te verbeteren. CFD-simulatie van thermisch veldontwerp van SiC-apparatuur voor monokristalgroei omvat het opstellen van nauwkeurige modellen, het selecteren van geschikte numerieke methoden en meshing, het bepalen van fysieke modellen en randvoorwaarden, het instellen en berekenen van simulatieparameters, en het verifiëren en optimaliseren van simulatieresultaten. Wetenschappelijke en redelijke CFD-simulatie kan belangrijke referenties opleveren voor het ontwerp en de optimalisatie van SiC-apparatuur voor eenkristalgroei, en de groei-efficiëntie en de kwaliteit van eenkristal verbeteren.

3.4 Ovenstructuurontwerp

Gezien het feit dat de groei van SiC-eenkristallen hoge temperaturen, chemische inertheid en goede thermische geleidbaarheid vereist, moet het materiaal van het ovenlichaam worden gekozen uit materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen en corrosie, zoals siliciumcarbide-keramiek (SiC), grafiet, enz. SiC-materiaal heeft uitstekende stabiliteit bij hoge temperaturen en chemische inertie, en is een ideaal materiaal voor het ovenlichaam. Het binnenwandoppervlak van het ovenlichaam moet glad en uniform zijn om de thermische straling en de weerstand tegen warmteoverdracht te verminderen en de stabiliteit van het thermische veld te verbeteren. De ovenstructuur moet zoveel mogelijk worden vereenvoudigd, met minder structurele lagen om thermische spanningsconcentratie en overmatige temperatuurgradiënt te voorkomen. Meestal wordt een cilindrische of rechthoekige structuur gebruikt om een ​​uniforme verdeling en stabiliteit van het thermische veld te vergemakkelijken. Hulpverwarmingselementen zoals verwarmingsspiralen en weerstanden worden in de oven geplaatst om de temperatuuruniformiteit en thermische veldstabiliteit te verbeteren en de kwaliteit en efficiëntie van de groei van eenkristal te garanderen. Veel voorkomende verwarmingsmethoden zijn onder meer inductieverwarming, weerstandsverwarming en stralingsverwarming. In SiC-apparatuur voor monokristalgroei wordt vaak een combinatie van inductieverwarming en weerstandsverwarming gebruikt. Inductieverwarming wordt voornamelijk gebruikt voor snelle verwarming om de temperatuuruniformiteit en thermische veldstabiliteit te verbeteren; weerstandsverwarming wordt gebruikt om een ​​constante temperatuur en temperatuurgradiënt te handhaven om de stabiliteit van het groeiproces te behouden. Stralingsverwarming kan de temperatuuruniformiteit in de oven verbeteren, maar wordt meestal gebruikt als aanvullende verwarmingsmethode.

4 Conclusie

Met de groeiende vraag naar SiC-materialen op het gebied van vermogenselektronica, opto-elektronica en andere gebieden zal de ontwikkeling van SiC-monokristalgroeitechnologie een sleutelgebied van wetenschappelijke en technologische innovatie worden. Als kern van SiC-apparatuur voor monokristalgroei zal het ontwerp van thermische velden uitgebreide aandacht en diepgaand onderzoek blijven krijgen. Toekomstige ontwikkelingsrichtingen omvatten het verder optimaliseren van de thermische veldstructuur en het controlesysteem om de productie-efficiëntie en de kwaliteit van één kristal te verbeteren; het onderzoeken van nieuwe materialen en verwerkingstechnologie om de stabiliteit en duurzaamheid van apparatuur te verbeteren; en het integreren van intelligente technologie om automatische controle en bewaking op afstand van apparatuur te bereiken.