Дизајн на топлинско поле за раст на SiC со единечни кристали

1 Важноста на дизајнот на термалното поле во опремата за раст на единечни кристали SiC

Монокристалот SiC е важен полупроводнички материјал, кој е широко користен во електрониката, оптоелектрониката и апликациите на високи температури. Дизајнот на термичкото поле директно влијае на однесувањето на кристализација, униформноста и контролата на нечистотијата на кристалот и има одлучувачко влијание врз перформансите и излезот на опремата за раст на еден кристал SiC. Квалитетот на еднокристалот SiC директно влијае на неговите перформанси и сигурност во производството на уреди. Со рационално дизајнирање на термичкото поле, може да се постигне униформност на распределбата на температурата за време на растот на кристалите, да се избегне термички стрес и топлински градиент во кристалот, а со тоа да се намали стапката на формирање на кристални дефекти. Оптимизираниот дизајн на термалното поле, исто така, може да го подобри квалитетот на кристалното лице и стапката на кристализација, дополнително да го подобри структурниот интегритет и хемиската чистота на кристалот и да осигури дека растениот единечен кристал SiC има добри електрични и оптички својства.

Стапката на раст на еднокристалот SiC директно влијае на трошоците за производство и капацитетот. Со рационално дизајнирање на термичкото поле, температурниот градиент и дистрибуцијата на топлинскиот проток за време на процесот на раст на кристалите може да се оптимизираат, а стапката на раст на кристалот и ефективната стапка на искористување на областа на раст може да се подобрат. Дизајнот на термичкото поле, исто така, може да ја намали загубата на енергија и материјалниот отпад за време на процесот на раст, да ги намали трошоците за производство и да ја подобри ефикасноста на производството, а со тоа да го зголеми производството на единечни кристали SiC. Опремата за раст на еден кристал SiC обично бара голема количина на систем за снабдување и ладење со енергија, а рационалното дизајнирање на термичкото поле може да ја намали потрошувачката на енергија, да ја намали потрошувачката на енергија и емисиите на животната средина. Со оптимизирање на структурата на термалното поле и патеката на протокот на топлина, енергијата може да се максимизира, а отпадната топлина може да се рециклира за да се подобри енергетската ефикасност и да се намалат негативните влијанија врз животната средина.

2 Тешкотии во дизајнот на термалното поле на опремата за раст на единечни кристали SiC

2.1 Нерамномерност на топлинската спроводливост на материјалите

SiC е многу важен полупроводнички материјал. Неговата топлинска спроводливост има карактеристики на висока температурна стабилност и одлична топлинска спроводливост, но нејзината дистрибуција на топлинска спроводливост има одредена нерамномерност. Во процесот на раст на еднокристалот на SiC, за да се обезбеди униформност и квалитет на растот на кристалите, потребно е прецизно да се контролира термичкото поле. Нерамномерноста на топлинската спроводливост на материјалите од SiC ќе доведе до нестабилност на распределбата на топлинското поле, што пак влијае на униформноста и квалитетот на растот на кристалите. Опремата за раст на еден кристал SiC обично го прифаќа методот на физичко таложење на пареа (PVT) или метод за транспорт на гасна фаза, што бара одржување на висока температура во комората за раст и остварување на раст на кристалите со прецизно контролирање на температурната распределба. Нерамномерноста на топлинската спроводливост на материјалите од SiC ќе доведе до нерамномерна распределба на температурата во комората за раст, а со тоа ќе влијае на процесот на раст на кристалите, што може да предизвика дефекти на кристалите или нерамномерен квалитет на кристалите. За време на растот на единечните кристали на SiC, неопходно е да се изврши тридимензионална динамичка симулација и анализа на термичкото поле со цел подобро да се разбере променливиот закон за распределба на температурата и да се оптимизира дизајнот врз основа на резултатите од симулацијата. Поради нееднаквоста на топлинската спроводливост на материјалите од SiC, овие симулациски анализи може да бидат под влијание на одреден степен на грешка, што ќе влијае на прецизната контрола и оптимизација на дизајнот на термичкото поле.

2.2 Тешкотии со регулација на конвекција во внатрешноста на опремата

За време на растот на единечните кристали SiC, треба да се одржува строга контрола на температурата за да се обезбеди униформност и чистота на кристалите. Феноменот на конвекција во внатрешноста на опремата може да предизвика нерамномерност на температурното поле, а со тоа да влијае на квалитетот на кристалите. Конвекцијата обично формира температурен градиент, што резултира со нееднаква структура на кристалната површина, што пак влијае на перформансите и примената на кристалите. Добрата контрола на конвекцијата може да ја прилагоди брзината и насоката на протокот на гас, што помага да се намали нерамномерноста на кристалната површина и да се подобри ефикасноста на растот. Сложената геометриска структура и процесот на динамика на гас внатре во опремата го отежнуваат прецизното контролирање на конвекцијата. Високо температурно опкружување ќе доведе до намалување на ефикасноста на пренос на топлина и ќе го зголеми формирањето на температурен градиент во внатрешноста на опремата, што ќе влијае на униформноста и квалитетот на растот на кристалите. Некои корозивни гасови може да влијаат на материјалите и елементите за пренос на топлина во внатрешноста на опремата, а со тоа влијае на стабилноста и контролирањето на конвекцијата. SiC опремата за раст на еден кристал обично има сложена структура и повеќе механизми за пренос на топлина, како што се пренос на топлина со зрачење, пренос на топлина со конвекција и спроводливост на топлина. Овие механизми за пренос на топлина се споени еден со друг, што ја прави регулацијата на конвекцијата покомплицирана, особено кога има процеси на повеќефазен проток и промена на фаза во опремата, потешко е прецизно да се моделира и контролира конвекцијата.

3 Клучни точки на дизајнот на термалното поле на опремата за раст на единечни кристали SiC

3.1 Дистрибуција и контрола на топлинска енергија

Во дизајнот на термалното поле, режимот на дистрибуција и стратегијата за контрола на топлинската моќност треба да се одредат според параметрите на процесот и барањата за раст на кристалите. Опремата за раст на еден кристал SiC користи графитни грејни шипки или индукциски грејачи за загревање. Еднообразноста и стабилноста на термичкото поле може да се постигнат со дизајнирање на распоредот и распределбата на моќноста на грејачот. За време на растот на единечните кристали на SiC, температурната униформност има важно влијание врз квалитетот на кристалот. Распределбата на грејната моќ треба да може да обезбеди униформност на температурата во термичкото поле. Преку нумеричка симулација и експериментална верификација, може да се одреди односот помеѓу грејната моќност и дистрибуцијата на температурата, а потоа шемата за дистрибуција на топлинска енергија може да се оптимизира за да се направи распределбата на температурата во термичкото поле порамномерна и стабилна. За време на растот на единечните кристали SiC, контролата на грејната моќ треба да може да постигне прецизна регулација и стабилна контрола на температурата. Алгоритми за автоматска контрола, како што се PID контролер или нејасен контролер, може да се користат за да се постигне контрола на грејната моќ во затворена јамка врз основа на податоци за температурата во реално време што се враќаат од температурните сензори за да се обезбеди стабилност и униформност на температурата во термичкото поле. За време на растот на единечните кристали SiC, големината на грејната моќ директно ќе влијае на стапката на раст на кристалите. Контролата на грејната моќ треба да може да постигне прецизно регулирање на стапката на раст на кристалите. Со анализа и експериментално потврдување на врската помеѓу грејната моќност и стапката на раст на кристалите, може да се одреди разумна стратегија за контрола на топлинската моќност за да се постигне прецизна контрола на стапката на раст на кристалите. За време на работата на опремата за раст на еден кристал SiC, стабилноста на грејната моќ има важно влијание врз квалитетот на растот на кристалите. Потребна е стабилна и сигурна опрема за греење и системи за контрола за да се обезбеди стабилност и сигурност на грејната моќност. Опремата за греење треба редовно да се одржува и сервисира за навремено откривање и решавање на дефектите и проблемите во опремата за греење за да се обезбеди нормално функционирање на опремата и стабилна излезна моќ на греење. Со рационално дизајнирање на шемата за дистрибуција на топлинска енергија, земајќи го во предвид односот помеѓу топлинската моќност и дистрибуцијата на температурата, остварувањето прецизна контрола на грејната моќност и обезбедување на стабилност и доверливост на грејната моќност, може да се постигне ефикасност на растот и квалитетот на кристалот на опремата за раст со еден кристал SiC. ефективно подобрен и може да се промовира напредокот и развојот на технологијата за раст на еден кристал SiC.

3.2 Дизајн и прилагодување на системот за контрола на температурата

Пред да се дизајнира системот за контрола на температурата, потребна е нумеричка симулациска анализа за да се симулираат и пресметаат процесите на пренос на топлина како што се спроводливоста на топлина, конвекцијата и зрачењето за време на растот на единечните кристали SiC за да се добие распределбата на температурното поле. Преку експериментална верификација, резултатите од нумеричката симулација се коригираат и приспособуваат за да се утврдат дизајнерските параметри на системот за контрола на температурата, како што се моќноста на греењето, распоредот на грејната област и локацијата на сензорот за температура. За време на растот на единечните кристали SiC, за загревање обично се користи отпорно греење или индукциско греење. Неопходно е да се избере соодветен елемент за греење. За отпорно греење, жица за отпорност на висока температура или отпорна печка може да се избере како греен елемент; за индукциско загревање, треба да се избере соодветна индукциона грејна калем или индукциона грејна плоча. При изборот на грејниот елемент, треба да се земат предвид факторите како што се ефикасноста на греењето, униформноста на греењето, отпорноста на високи температури и влијанието врз стабилноста на термичкото поле. Дизајнот на системот за контрола на температурата треба да ја земе предвид не само стабилноста и униформноста на температурата, туку и точноста на прилагодување на температурата и брзината на одговор. Неопходно е да се дизајнира разумна стратегија за контрола на температурата, како што е PID контрола, нејасна контрола или контрола на нервната мрежа, за да се постигне точна контрола и прилагодување на температурата. Исто така, неопходно е да се дизајнира соодветна шема за прилагодување на температурата, како што е прилагодување на поврзувањето со повеќе точки, прилагодување на локалната компензација или прилагодување на повратни информации, за да се обезбеди рамномерна и стабилна температурна распределба на целото термичко поле. За да се реализира прецизното следење и контрола на температурата за време на растот на единечните кристали на SiC, неопходно е да се усвои напредна технологија за сензори за температура и опрема за контролер. Можете да изберете високопрецизни температурни сензори како што се термопарови, термички отпорници или инфрацрвени термометри за да ги следите температурните промени во секоја област во реално време и да изберете опрема за регулатор на температура со високи перформанси, како што е PLC контролер (види Слика 1) или DSP контролер , за да се постигне прецизна контрола и прилагодување на грејните елементи. Со одредување на параметрите за дизајн врз основа на нумеричка симулација и експериментални методи за верификација, избирање соодветни методи за греење и грејни елементи, дизајнирање разумни стратегии за контрола на температурата и шеми за прилагодување и користење на напредна технологија за сензори за температура и контролорна опрема, можете ефективно да постигнете прецизна контрола и прилагодување на температурата за време на растот на единечните кристали SiC и подобрување на квалитетот и приносот на единечните кристали.

3.3 Симулација на компјутерска динамика на течности

Воспоставувањето на точен модел е основа за симулација на динамика на пресметковна течност (CFD). SiC опремата за раст на еднокристалот обично се состои од графитна печка, индукциски систем за греење, сад, заштитен гас итн. Во процесот на моделирање, неопходно е да се земе предвид сложеноста на структурата на печката, карактеристиките на методот на загревање , и влијанието на движењето на материјалот врз полето на проток. Тридимензионалното моделирање се користи за прецизна реконструкција на геометриските форми на печката, садот, индукцискиот калем итн., и да се земат предвид топлинските физички параметри и граничните услови на материјалот, како што се моќноста на греењето и брзината на проток на гас.

Во CFD симулацијата, најчесто користените нумерички методи вклучуваат метод на конечен волумен (FVM) и метод на конечни елементи (FEM). Со оглед на карактеристиките на опремата за раст на единечни кристали SiC, методот FVM генерално се користи за решавање на равенките за проток на течност и спроводливост на топлина. Во однос на мрежењето, неопходно е да се обрне внимание на поделбите на клучните области, како што се површината на графитниот сад и површината за раст на еден кристал, за да се обезбеди точност на резултатите од симулацијата. Процесот на растење на еднокристалот SiC вклучува различни физички процеси, како што се спроводливост на топлина, пренос на топлина на зрачење, движење на течности итн. Според фактичката ситуација, соодветни физички модели и гранични услови се избираат за симулација. На пример, со оглед на спроводливоста на топлина и пренос на топлина на зрачење помеѓу графитниот сад и SiC еднокристалот, треба да се постават соодветни гранични услови за пренос на топлина; со оглед на влијанието на индукциското загревање врз движењето на течноста, треба да се земат предвид граничните услови на индукциската грејна моќност.

Пред симулацијата на CFD, потребно е да се постават временскиот чекор за симулација, критериумите за конвергенција и други параметри и да се извршат пресметки. За време на процесот на симулација, потребно е континуирано прилагодување на параметрите за да се обезбеди стабилност и конвергенција на резултатите од симулацијата, а резултатите од симулацијата пост-процесираат, како што се дистрибуција на температурно поле, дистрибуција на брзина на течност итн., за понатамошна анализа и оптимизација . Точноста на резултатите од симулацијата се потврдува со споредување со дистрибуцијата на температурното поле, квалитетот на еден кристал и други податоци во реалниот процес на раст. Според резултатите од симулацијата, структурата на печката, методот на загревање и другите аспекти се оптимизирани за да се подобри ефикасноста на растот и квалитетот на еден кристал на опремата за раст на еден кристал SiC. CFD симулацијата на дизајнот на термалното поле на опремата за раст на SiC со еден кристал вклучува воспоставување точни модели, избор на соодветни нумерички методи и поврзување, одредување физички модели и гранични услови, поставување и пресметување на параметрите за симулација и верификација и оптимизирање на резултатите од симулацијата. Научната и разумна симулација на CFD може да обезбеди важни референци за дизајнирање и оптимизација на опремата за раст на еден кристал SiC и да ја подобри ефикасноста на растот и квалитетот на еден кристал.

3.4 Дизајн на структурата на печката

Имајќи предвид дека растот на еднокристалот на SiC бара висока температура, хемиска инертност и добра топлинска спроводливост, материјалот на телото на печката треба да биде избран од материјали отпорни на висока температура и корозија, како што се силициум карбид керамика (SiC), графит, итн. висока температурна стабилност и хемиска инертност, и е идеален материјал за телото на печката. Површината на внатрешниот ѕид на телото на печката треба да биде мазна и униформа за да се намали отпорот на топлинско зрачење и пренос на топлина и да се подобри стабилноста на термичкото поле. Структурата на печката треба да се поедностави колку што е можно, со помалку структурни слоеви за да се избегне концентрација на термички стрес и прекумерен температурен градиент. Цилиндрична или правоаголна структура обично се користи за да се олесни рамномерната дистрибуција и стабилноста на топлинското поле. Помошни грејни елементи како грејни калеми и отпорници се поставени во внатрешноста на печката за да се подобри температурната униформност и стабилноста на топлинското поле и да се обезбеди квалитетот и ефикасноста на растот на еден кристал. Вообичаените методи на греење вклучуваат индукционо греење, отпорно греење и греење со зрачење. Во опремата за раст на еден кристал SiC, често се користи комбинација на индукционо греење и отпорно греење. Индукциското греење главно се користи за брзо загревање за да се подобри рамномерноста на температурата и стабилноста на термичкото поле; отпорно греење се користи за одржување на константна температура и температурен градиент за одржување на стабилноста на процесот на раст. Греењето со зрачење може да ја подобри рамномерноста на температурата внатре во печката, но обично се користи како помошен метод за загревање.

4 Заклучок

Со зголемената побарувачка за SiC материјали во енергетската електроника, оптоелектрониката и другите области, развојот на технологијата за раст на еден кристал SiC ќе стане клучна област на научни и технолошки иновации. Како јадро на опремата за раст на еден кристал SiC, дизајнот на термалното поле ќе продолжи да добива големо внимание и длабинско истражување. Идните развојни насоки вклучуваат понатамошно оптимизирање на структурата и системот за контрола на топлинското поле за да се подобри ефикасноста на производството и квалитетот на еден кристал; истражување на нови материјали и технологија за обработка за подобрување на стабилноста и издржливоста на опремата; и интегрирање на интелигентна технологија за да се постигне автоматска контрола и далечинско следење на опремата.