Termisk fältdesign för SIC -enkelkristalltillväxt

1 Betydelse av termisk fältdesign i SIC -enkelkristalltillväxtutrustning

SiC enkristall är ett viktigt halvledarmaterial som används i stor utsträckning inom kraftelektronik, optoelektronik och högtemperaturapplikationer. Termisk fältdesign påverkar direkt kristalliseringsbeteendet, enhetligheten och föroreningskontrollen av kristallen och har ett avgörande inflytande på prestanda och produktion av SiC-enkristalltillväxtutrustning. Kvaliteten på SiC-enkristaller påverkar direkt dess prestanda och tillförlitlighet vid enhetstillverkning. Genom att rationellt utforma det termiska fältet kan enhetlig temperaturfördelning under kristalltillväxt uppnås, termisk stress och termisk gradient i kristallen kan undvikas, och därigenom minska bildningshastigheten för kristalldefekter. Optimerad termisk fältdesign kan också förbättra kristallytans kvalitet och kristallisationshastighet, ytterligare förbättra kristallens strukturella integritet och kemiska renhet och säkerställa att den odlade SiC-enkristallen har goda elektriska och optiska egenskaper.

Tillväxttakten för SiC -enkristall påverkar direkt produktionskostnaden och kapaciteten. Genom att rationellt utforma det termiska fältet kan temperaturgradienten och värmeflödesfördelningen under kristalltillväxtprocessen optimeras och tillväxthastigheten för kristallen och den effektiva användningshastigheten för tillväxtområdet kan förbättras. Den termiska fältdesignen kan också minska energiförlust och materialavfall under tillväxtprocessen, minska produktionskostnaderna och förbättra produktionseffektiviteten, vilket ökar produktionen av SIC -enstaka kristaller. SIC -enstaka tillväxtutrustning kräver vanligtvis en stor mängd energiförsörjning och kylsystem, och rationellt utformning av det termiska fältet kan minska energiförbrukningen, minska energiförbrukningen och miljöutsläppen. Genom att optimera den termiska fältstrukturen och värmeflödesvägen kan energi maximeras och avfallsvärme kan återvinnas för att förbättra energieffektiviteten och minska negativa effekter på miljön.

2 Svårigheter i termisk fältdesign av SIC -enstaka kristalltillväxtutrustning

2.1 Ojämnhet av värmeledningsförmåga hos material

SIC är ett mycket viktigt halvledarmaterial. Dess värmeledningsförmåga har egenskaperna för hög temperaturstabilitet och utmärkt värmeledningsförmåga, men dess värmeledningsfördelning har viss ojämnhet. I processen med SIC -enstaka kristalltillväxt, för att säkerställa enhetligheten och kvaliteten på kristalltillväxten, måste det termiska fältet kontrolleras exakt. Den icke-enhetliga värmeledningsförmågan hos SIC-material kommer att leda till instabiliteten i termisk fältfördelning, vilket i sin tur påverkar enhetligheten och kvaliteten på kristalltillväxten. SIC -enkelkristalltillväxtutrustning antar vanligtvis fysisk ångavlagringsmetod (PVT) metod eller gasfastransportmetod, vilket kräver att upprätthålla en hög temperaturmiljö i tillväxtkammaren och förverkliga kristalltillväxt genom att exakt kontrollera temperaturfördelningen. Den icke-enhetliga värmeledningsförmågan hos SIC-material kommer att leda till ojämn temperaturfördelning i tillväxtkammaren och därigenom påverkar kristalltillväxtprocessen, vilket kan orsaka kristalldefekter eller icke-enhetlig kristallkvalitet. Under tillväxten av SIC-enstaka kristaller är det nödvändigt att utföra tredimensionell dynamisk simulering och analys av det termiska fältet för att bättre förstå den förändrade lagen för temperaturfördelning och optimera designen baserat på simuleringsresultaten. På grund av den icke-enhetliga värmeledningsförmågan hos SIC-material kan dessa simuleringsanalyser påverkas av en viss grad av fel, vilket påverkar den exakta kontroll- och optimeringsdesignen för det termiska fältet.

2.2 Svårigheter för konvektionsreglering inuti utrustningen

Under tillväxten av SiC-enkristaller måste strikt temperaturkontroll upprätthållas för att säkerställa enhetligheten och renheten hos kristallerna. Konvektionsfenomenet inuti utrustningen kan orsaka ojämnhet i temperaturfältet och därigenom påverka kvaliteten på kristallerna. Konvektion bildar vanligtvis en temperaturgradient, vilket resulterar i en ojämn struktur på kristallytan, vilket i sin tur påverkar prestanda och applicering av kristallerna. Bra konvektionskontroll kan justera gasflödets hastighet och riktning, vilket hjälper till att minska ojämnheten hos kristallytan och förbättra tillväxteffektiviteten. Den komplexa geometriska strukturen och gasdynamiken inuti utrustningen gör det extremt svårt att noggrant kontrollera konvektionen. Hög temperaturmiljö kommer att leda till en minskning av värmeöverföringseffektiviteten och öka bildandet av temperaturgradient inuti utrustningen, vilket påverkar enhetligheten och kvaliteten på kristalltillväxten. Vissa frätande gaser kan påverka materialen och värmeöverföringselementen inuti utrustningen och därigenom påverka konvektionsstabiliteten och kontrollerbarheten. SiC enkristalltillväxtutrustning har vanligtvis en komplex struktur och flera värmeöverföringsmekanismer, såsom strålningsvärmeöverföring, konvektionsvärmeöverföring och värmeledning. Dessa värmeöverföringsmekanismer är kopplade till varandra, vilket gör konvektionsregleringen mer komplicerad, speciellt när det finns flerfasflödes- och fasändringsprocesser inuti utrustningen, är det svårare att exakt modellera och kontrollera konvektion.

3 Nyckelpunkter för termisk fältdesign av SiC enkristalltillväxtutrustning

3.1 Värmekraftsfördelning och styrning

I termisk fältdesign bör distributionsläget och kontrollstrategin för värmekraft bestämmas enligt processparametrarna och kraven för kristalltillväxt. SIC -enstaka kristalltillväxtutrustning använder grafitvärmestänger eller induktionsvärmare för uppvärmning. Det termiska fältets enhetlighet och stabilitet kan uppnås genom att utforma värmarens layout och kraftfördelning. Under tillväxten av SIC -enstaka kristaller har temperaturens enhetlighet ett viktigt inflytande på kristallens kvalitet. Fördelningen av värmekraften bör kunna säkerställa temperaturens enhetlighet i det termiska fältet. Genom numerisk simulering och experimentell verifiering kan förhållandet mellan värmekraft och temperaturfördelning bestämmas, och sedan kan värmepraftfördelningen optimeras för att göra temperaturfördelningen i det termiska fältet mer enhetligt och stabilt. Under tillväxten av SIC -enstaka kristaller bör kontrollen av värmekraft kunna uppnå exakt reglering och stabil kontroll av temperaturen. Automatiska kontrollalgoritmer som PID-styrenhet eller fuzzy controller kan användas för att uppnå stängd slingkontroll av värmekraft baserat på realtidstemperaturdata som matas tillbaka av temperatursensorer för att säkerställa stabiliteten och enhetligheten i temperaturen i det termiska fältet. Under tillväxten av SIC -enstaka kristaller kommer storleken på värmekraften direkt att påverka kristalltillväxten. Kontrollen av värmekraften bör kunna uppnå exakt reglering av kristalltillväxthastighet. Genom att analysera och experimentellt verifiera förhållandet mellan värmekraft och kristalltillväxthastighet kan en rimlig värmekontrollstrategi bestämmas för att uppnå exakt kontroll av kristalltillväxthastigheten. Under driften av SIC -enkelkristalltillväxtutrustning har stabiliteten i värmekraften en viktig inverkan på kvaliteten på kristalltillväxten. Stabil och pålitlig värmeutrustning och styrsystem krävs för att säkerställa stabiliteten och tillförlitligheten för värmekraften. Värmeutrustningen måste regelbundet underhållas och servas för att snabbt upptäcka och lösa fel och problem i värmeutrustningen för att säkerställa den normala driften av utrustningen och den stabila utgången av värmekraft. Genom att rationellt utforma värmefördelningsdistributionsschemat, med tanke på förhållandet mellan värmekraft och temperaturfördelning, inse exakt kontroll av värmekraft och säkerställa stabiliteten och tillförlitligheten för värmekraft, tillväxteffektiviteten och kristallkvaliteten hos SIC -enstaka tillväxtutrustning kan vara effektivt förbättras och framstegen och utvecklingen av SIC -enstaka tillväxtteknik kan främjas.

3.2 Konstruktion och justering av temperaturkontrollsystem

Innan temperaturkontrollsystemet utformas krävs numerisk simuleringsanalys för att simulera och beräkna värmeöverföringsprocesserna såsom värmeledning, konvektion och strålning under tillväxten av SIC -enstaka kristaller för att erhålla fördelningen av temperaturfältet. Genom experimentell verifiering korrigeras och justeras de numeriska simuleringsresultaten för att bestämma konstruktionsparametrarna för temperaturkontrollsystemet, såsom uppvärmningseffekt, uppvärmningsområde och temperatursensorplats. Under tillväxten av SIC -enstaka kristaller används motståndsuppvärmning eller induktionsuppvärmning vanligtvis för uppvärmning. Det är nödvändigt att välja ett lämpligt uppvärmningselement. För motståndsuppvärmning kan en högtemperaturmotståndstråd eller en motståndsugn väljas som ett värmeelement; För induktionsuppvärmning måste en lämplig induktionsvärmespole eller induktionsvärmeplatta väljas. När du väljer ett uppvärmningselement måste faktorer som värmeeffektivitet, uppvärmning av enhetlighet, hög temperaturmotstånd och påverkan på termisk fältstabilitet beaktas. Utformningen av temperaturkontrollsystemet måste inte bara överväga temperaturens stabilitet och enhetlighet, utan också temperaturjusteringsnoggrannheten och svarshastigheten. Det är nödvändigt att utforma en rimlig temperaturkontrollstrategi, såsom PID -kontroll, fuzzy kontroll eller neural nätverkskontroll, för att uppnå exakt kontroll och justering av temperaturen. Det är också nödvändigt att utforma ett lämpligt temperaturjusteringsschema, såsom justering av flerpunktslänkar, lokal kompensationsjustering eller återkopplingsjustering, för att säkerställa enhetlig och stabil temperaturfördelning för hela termiska fältet. För att realisera den exakta övervakningen och kontrollen av temperaturen under tillväxten av SIC -enstaka kristaller är det nödvändigt att anta avancerad temperaturavkänningsteknik och kontrollutrustning. Du kan välja högprecisionstemperatursensorer som termoelement, termiska motstånd eller infraröda termometrar för att övervaka temperaturförändringarna i varje område i realtid och välja högpresterande temperaturkontrollutrustning, såsom PLC-styrenhet (se figur 1) eller DSP-styrenhet , för att uppnå exakt kontroll och justering av uppvärmningselement. Genom att bestämma designparametrarna baserade på numerisk simulering och experimentella verifieringsmetoder, välja lämpliga uppvärmningsmetoder och värmeelement, utforma rimliga temperaturkontrollstrategier och justeringsscheman och använda avancerad temperaturavkänningsteknik och kontrollutrustning kan du effektivt uppnå exakt kontroll och justering av Temperaturen under tillväxten av SIC -enstaka kristaller och förbättrar kvaliteten och utbytet av enstaka kristaller.

3.3 Simulering av beräkningsvätskedynamik

Att etablera en korrekt modell är grunden för simulering av beräkningsvätskedynamik (CFD). SiC enkristalltillväxtutrustning består vanligtvis av en grafitugn, ett induktionsvärmesystem, en degel, en skyddsgas, etc. I modelleringsprocessen är det nödvändigt att överväga komplexiteten hos ugnsstrukturen, egenskaperna hos uppvärmningsmetoden och påverkan av materialrörelse på flödesfältet. Tredimensionell modellering används för att noggrant rekonstruera de geometriska formerna hos ugnen, degeln, induktionsspolen, etc., och beakta de termiska fysikaliska parametrarna och gränsförhållandena för materialet, såsom värmeeffekt och gasflöde.

I CFD -simulering inkluderar vanligt förekommande numeriska metoder den ändliga volymmetoden (FVM) och den finitiska elementmetoden (FEM). Med tanke på egenskaperna hos SIC -enkelkristalltillväxtutrustning används FVM -metoden vanligtvis för att lösa vätskeflödes- och värmeledningsekvationerna. När det gäller meshing är det nödvändigt att uppmärksamma nyckelområden, såsom grafitklädningsytan och enstaka kristalltillväxtområdet, för att säkerställa simuleringsresultatens noggrannhet. Tillväxtprocessen för SIC -enstaka kristall involverar en mängd fysiska processer, såsom värmeledning, strålningsvärmeöverföring, vätskerörelse, etc. Enligt den faktiska situationen väljs lämpliga fysiska modeller och gränsvillkor för simulering. Med tanke på värmeledningen och strålningsvärmeöverföringen mellan grafiten degeln och SIC -enstaka kristall måste lämpliga gränsvillkor för värmeöverföring ställas in; Med tanke på påverkan av induktionsuppvärmning på fluidrörelse måste gränsvillkoren för induktionsuppvärmningskraft beaktas.

Innan CFD-simulering är det nödvändigt att ställa in simuleringstidssteget, konvergenskriterier och andra parametrar och utföra beräkningar. Under simuleringsprocessen är det nödvändigt att kontinuerligt justera parametrarna för att säkerställa stabiliteten och konvergensen av simuleringsresultaten, och efterbehandla simuleringsresultaten, såsom temperaturfältsfördelning, vätskehastighetsfördelning, etc., för vidare analys och optimering . Noggrannheten av simuleringsresultaten verifieras genom att jämföra med temperaturfältsfördelningen, enkristallkvalitet och andra data i den faktiska tillväxtprocessen. Enligt simuleringsresultaten är ugnsstrukturen, uppvärmningsmetoden och andra aspekter optimerade för att förbättra tillväxteffektiviteten och enkristallkvaliteten hos SiC-enkristalltillväxtutrustning. CFD-simulering av termisk fältdesign av SiC-enkristalltillväxtutrustning involverar upprättande av noggranna modeller, val av lämpliga numeriska metoder och meshing, bestämning av fysiska modeller och randvillkor, inställning och beräkning av simuleringsparametrar samt verifiering och optimering av simuleringsresultat. Vetenskaplig och rimlig CFD-simulering kan ge viktiga referenser för design och optimering av SiC enkristalltillväxtutrustning och förbättra tillväxteffektiviteten och enkristallkvaliteten.

3.4 Design för ugnsstruktur

Med tanke på att SiC-enkristalltillväxt kräver hög temperatur, kemisk tröghet och god värmeledningsförmåga, bör ugnskroppsmaterialet väljas från högtemperatur- och korrosionsbeständiga material, såsom kiselkarbidkeramik (SiC), grafit, etc. SiC-material har utmärkt hög temperaturstabilitet och kemisk tröghet, och är ett idealiskt ugnskroppsmaterial. Ugnskroppens inre väggyta bör vara slät och enhetlig för att minska värmestrålning och värmeöverföringsmotstånd och förbättra termisk fältstabilitet. Ugnsstrukturen bör förenklas så mycket som möjligt, med färre strukturella lager för att undvika termisk spänningskoncentration och överdriven temperaturgradient. En cylindrisk eller rektangulär struktur används vanligtvis för att underlätta enhetlig fördelning och stabilitet av det termiska fältet. Extra värmeelement som värmeslingor och motstånd är inställda inuti ugnen för att förbättra temperaturens enhetlighet och termisk fältstabilitet och säkerställa kvaliteten och effektiviteten hos enkristalltillväxt. Vanliga uppvärmningsmetoder inkluderar induktionsuppvärmning, motståndsuppvärmning och strålningsuppvärmning. I SiC enkristalltillväxtutrustning används ofta en kombination av induktionsuppvärmning och motståndsuppvärmning. Induktionsuppvärmning används huvudsakligen för snabb uppvärmning för att förbättra temperaturens enhetlighet och termisk fältstabilitet; motståndsuppvärmning används för att upprätthålla en konstant temperatur och temperaturgradient för att upprätthålla stabiliteten i tillväxtprocessen. Strålningsuppvärmning kan förbättra temperaturlikformigheten inuti ugnen, men den används vanligtvis som en extra uppvärmningsmetod.

4 Slutsats

Med den växande efterfrågan på SIC -material inom kraftelektronik, optoelektronik och andra områden kommer utvecklingen av SIC -enkelkristalltillväxtteknologi att bli ett viktigt område inom vetenskaplig och teknisk innovation. Som kärnan i SIC-enkelkristalltillväxtutrustning kommer termisk fältdesign att fortsätta att få omfattande uppmärksamhet och djupgående forskning. Framtida utvecklingsanvisningar inkluderar ytterligare optimering av termisk fältstruktur och kontrollsystem för att förbättra produktionseffektiviteten och enkelkristallkvaliteten; Utforska nya material och bearbetningsteknik för att förbättra utrustningens stabilitet och hållbarhet; och integrera intelligent teknik för att uppnå automatisk kontroll och fjärrövervakning av utrustning.