Proiectarea câmpului termic pentru creșterea unui singur cristal SiC

1 Importanța proiectării câmpului termic în echipamentele de creștere a monocristalului SiC

Monocristalul SiC este un material semiconductor important, care este utilizat pe scară largă în electronica de putere, optoelectronica și aplicațiile la temperatură înaltă. Proiectarea câmpului termic afectează direct comportamentul de cristalizare, uniformitatea și controlul impurităților cristalului și are o influență decisivă asupra performanței și producției echipamentelor de creștere a cristalului monocristal SiC. Calitatea monocristalului SiC afectează direct performanța și fiabilitatea acestuia în fabricarea dispozitivelor. Prin proiectarea rațională a câmpului termic, se poate obține uniformitatea distribuției temperaturii în timpul creșterii cristalului, se poate evita stresul termic și gradientul termic din cristal, reducând astfel rata de formare a defectelor cristalului. Proiectarea optimizată a câmpului termic poate, de asemenea, să îmbunătățească calitatea feței cristalului și rata de cristalizare, să îmbunătățească și mai mult integritatea structurală și puritatea chimică a cristalului și să se asigure că monocristalul SiC crescut are proprietăți electrice și optice bune.

Rata de creștere a monocristalului SiC afectează în mod direct costul de producție și capacitatea. Prin proiectarea rațională a câmpului termic, gradientul de temperatură și distribuția fluxului de căldură în timpul procesului de creștere a cristalului pot fi optimizate, iar rata de creștere a cristalului și rata de utilizare efectivă a zonei de creștere pot fi îmbunătățite. Designul câmpului termic poate reduce, de asemenea, pierderile de energie și risipa de materiale în timpul procesului de creștere, reduce costurile de producție și îmbunătățește eficiența producției, crescând astfel producția de monocristale SiC. Echipamentele de creștere cu un singur cristal SiC necesită, de obicei, o cantitate mare de alimentare cu energie și sistem de răcire, iar proiectarea rațională a câmpului termic poate reduce consumul de energie, reduce consumul de energie și emisiile de mediu. Prin optimizarea structurii câmpului termic și a traseului fluxului de căldură, energia poate fi maximizată, iar căldura reziduală poate fi reciclată pentru a îmbunătăți eficiența energetică și a reduce impactul negativ asupra mediului.

2 Dificultăți în proiectarea câmpului termic al echipamentelor de creștere a monocristalului SiC

2.1 Neuniformitatea conductibilității termice a materialelor

SiC este un material semiconductor foarte important. Conductivitatea sa termică are caracteristicile de stabilitate la temperatură ridicată și conductivitate termică excelentă, dar distribuția sa de conductivitate termică are o anumită neuniformitate. În procesul de creștere a unui singur cristal SiC, pentru a asigura uniformitatea și calitatea creșterii cristalului, câmpul termic trebuie controlat cu precizie. Neuniformitatea conductibilității termice a materialelor SiC va duce la instabilitatea distribuției câmpului termic, care, la rândul său, afectează uniformitatea și calitatea creșterii cristalelor. Echipamentul de creștere cu un singur cristal SiC adoptă de obicei metoda de depunere fizică în vapori (PVT) sau metoda de transport în fază gazoasă, care necesită menținerea unui mediu de temperatură ridicată în camera de creștere și realizarea creșterii cristalelor prin controlul precis al distribuției temperaturii. Neuniformitatea conductibilității termice a materialelor SiC va duce la o distribuție neuniformă a temperaturii în camera de creștere, afectând astfel procesul de creștere a cristalului, ceea ce poate cauza defecte ale cristalului sau calitate neuniformă a cristalului. În timpul creșterii monocristalelor de SiC, este necesar să se efectueze simularea dinamică tridimensională și analiza câmpului termic pentru a înțelege mai bine legea schimbătoare a distribuției temperaturii și a optimiza proiectarea pe baza rezultatelor simulării. Datorită neuniformității conductibilității termice a materialelor SiC, aceste analize de simulare pot fi afectate de un anumit grad de eroare, afectând astfel proiectarea precisă de control și optimizare a câmpului termic.

2.2 Dificultatea de reglare a convecției în interiorul echipamentului

În timpul creșterii monocristalelor de SiC, trebuie menținut un control strict al temperaturii pentru a asigura uniformitatea și puritatea cristalelor. Fenomenul de convecție din interiorul echipamentului poate cauza neuniformitatea câmpului de temperatură, afectând astfel calitatea cristalelor. Convecția formează de obicei un gradient de temperatură, rezultând o structură neuniformă pe suprafața cristalului, care la rândul său afectează performanța și aplicarea cristalelor. Un control bun al convecției poate regla viteza și direcția fluxului de gaz, ceea ce ajută la reducerea neuniformității suprafeței cristalului și la îmbunătățirea eficienței creșterii. Structura geometrică complexă și procesul de dinamică a gazelor din interiorul echipamentului fac extrem de dificil controlul precis al convecției. Mediul cu temperaturi ridicate va duce la o scădere a eficienței transferului de căldură și la creșterea formării gradientului de temperatură în interiorul echipamentului, afectând astfel uniformitatea și calitatea creșterii cristalelor. Unele gaze corozive pot afecta materialele și elementele de transfer de căldură din interiorul echipamentului, afectând astfel stabilitatea și controlabilitatea convecției. Echipamentul de creștere cu un singur cristal SiC are de obicei o structură complexă și mecanisme multiple de transfer de căldură, cum ar fi transferul de căldură prin radiație, transferul de căldură prin convecție și conducția căldurii. Aceste mecanisme de transfer de căldură sunt cuplate între ele, făcând reglarea convecției mai complicată, mai ales atunci când există procese de flux multifazic și schimbare de fază în interiorul echipamentului, este mai dificil de modelat și controlat cu precizie convecția.

3 Puncte cheie ale proiectării câmpului termic al echipamentelor de creștere cu un singur cristal SiC

3.1 Distribuția și controlul puterii de încălzire

În proiectarea câmpului termic, modul de distribuție și strategia de control a puterii de încălzire ar trebui determinate în funcție de parametrii procesului și cerințele de creștere a cristalelor. Echipamentele de creștere cu un singur cristal SiC folosesc tije de încălzire din grafit sau încălzitoare cu inducție pentru încălzire. Uniformitatea și stabilitatea câmpului termic pot fi obținute prin proiectarea aspectului și distribuției puterii încălzitorului. În timpul creșterii monocristalelor de SiC, uniformitatea temperaturii are o influență importantă asupra calității cristalului. Distribuția puterii de încălzire ar trebui să poată asigura uniformitatea temperaturii în câmpul termic. Prin simulare numerică și verificare experimentală, se poate determina relația dintre puterea de încălzire și distribuția temperaturii, iar apoi schema de distribuție a puterii de încălzire poate fi optimizată pentru a face distribuția temperaturii în câmpul termic mai uniformă și mai stabilă. În timpul creșterii monocristalelor de SiC, controlul puterii de încălzire ar trebui să poată realiza o reglare precisă și un control stabil al temperaturii. Algoritmii de control automat, cum ar fi controlerul PID sau controlerul fuzzy pot fi utilizați pentru a realiza un control în buclă închisă a puterii de încălzire pe baza datelor de temperatură în timp real transmise de senzori de temperatură pentru a asigura stabilitatea și uniformitatea temperaturii în câmpul termic. În timpul creșterii monocristalelor de SiC, mărimea puterii de încălzire va afecta direct rata de creștere a cristalului. Controlul puterii de încălzire ar trebui să poată realiza o reglare precisă a ratei de creștere a cristalelor. Prin analiza și verificarea experimentală a relației dintre puterea de încălzire și rata de creștere a cristalelor, poate fi determinată o strategie rezonabilă de control al puterii de încălzire pentru a obține un control precis al ratei de creștere a cristalelor. În timpul funcționării echipamentului de creștere a cristalului monocristal SiC, stabilitatea puterii de încălzire are un impact important asupra calității creșterii cristalului. Sunt necesare echipamente de încălzire stabile și fiabile și sisteme de control pentru a asigura stabilitatea și fiabilitatea puterii de încălzire. Echipamentele de încălzire trebuie întreținute și întreținute în mod regulat pentru a descoperi și rezolva în timp util defecțiunile și problemele echipamentului de încălzire pentru a asigura funcționarea normală a echipamentului și puterea de încălzire stabilă. Prin proiectarea rațională a schemei de distribuție a puterii de încălzire, luând în considerare relația dintre puterea de încălzire și distribuția temperaturii, realizând un control precis al puterii de încălzire și asigurând stabilitatea și fiabilitatea puterii de încălzire, eficiența creșterii și calitatea cristalului a echipamentului de creștere cu un singur cristal SiC poate fi îmbunătățit în mod eficient, iar progresul și dezvoltarea tehnologiei de creștere a unui singur cristal SiC pot fi promovate.

3.2 Proiectarea și reglarea sistemului de control al temperaturii

Înainte de proiectarea sistemului de control al temperaturii, este necesară o analiză de simulare numerică pentru a simula și calcula procesele de transfer de căldură, cum ar fi conducția căldurii, convecția și radiația în timpul creșterii monocristalelor de SiC pentru a obține distribuția câmpului de temperatură. Prin verificarea experimentală, rezultatele simulării numerice sunt corectate și ajustate pentru a determina parametrii de proiectare ai sistemului de control al temperaturii, cum ar fi puterea de încălzire, aspectul zonei de încălzire și locația senzorului de temperatură. În timpul creșterii monocristalelor de SiC, încălzirea prin rezistență sau încălzirea prin inducție este de obicei utilizată pentru încălzire. Este necesar să selectați un element de încălzire adecvat. Pentru încălzirea cu rezistență, un fir de rezistență la temperatură înaltă sau un cuptor cu rezistență poate fi selectat ca element de încălzire; pentru încălzirea prin inducție, trebuie selectată o bobină de încălzire prin inducție adecvată sau o placă de încălzire prin inducție. Atunci când alegeți un element de încălzire, trebuie luați în considerare factori precum eficiența încălzirii, uniformitatea încălzirii, rezistența la temperaturi ridicate și impactul asupra stabilității câmpului termic. Proiectarea sistemului de control al temperaturii trebuie să ia în considerare nu numai stabilitatea și uniformitatea temperaturii, ci și precizia ajustării temperaturii și viteza de răspuns. Este necesar să se proiecteze o strategie rezonabilă de control al temperaturii, cum ar fi controlul PID, controlul fuzzy sau controlul rețelei neuronale, pentru a obține un control și reglare precisă a temperaturii. De asemenea, este necesar să se proiecteze o schemă adecvată de reglare a temperaturii, cum ar fi reglarea legăturii în mai multe puncte, reglarea compensației locale sau reglarea feedback-ului, pentru a asigura o distribuție uniformă și stabilă a temperaturii a întregului câmp termic. Pentru a realiza monitorizarea și controlul precis al temperaturii în timpul creșterii monocristalelor de SiC, este necesar să se adopte o tehnologie avansată de detectare a temperaturii și un echipament de control. Puteți alege senzori de temperatură de înaltă precizie, cum ar fi termocupluri, rezistențe termice sau termometre cu infraroșu pentru a monitoriza schimbările de temperatură în fiecare zonă în timp real și alegeți echipamente de control de temperatură de înaltă performanță, cum ar fi controlerul PLC (vezi Figura 1) sau controlerul DSP. , pentru a realiza controlul și reglarea precisă a elementelor de încălzire. Prin determinarea parametrilor de proiectare pe baza metodelor de simulare numerică și de verificare experimentală, selectând metode de încălzire și elemente de încălzire adecvate, proiectând strategii rezonabile de control al temperaturii și scheme de reglare și utilizând tehnologia avansată de detectare a temperaturii și echipamentele de control, puteți obține în mod eficient controlul și reglarea precisă a temperatura în timpul creșterii monocristalelor de SiC și îmbunătățește calitatea și randamentul monocristalelor.

3.3 Simulare computațională a dinamicii fluidelor

Stabilirea unui model precis este baza pentru simularea dinamicii fluidelor computaționale (CFD). Echipamentul de creștere cu un singur cristal SiC este de obicei compus dintr-un cuptor de grafit, un sistem de încălzire prin inducție, un creuzet, un gaz protector etc. În procesul de modelare, este necesar să se ia în considerare complexitatea structurii cuptorului, caracteristicile metodei de încălzire. , și influența mișcării materialelor asupra câmpului de curgere. Modelarea tridimensională este utilizată pentru a reconstrui cu precizie formele geometrice ale cuptorului, creuzetului, bobinei de inducție etc. și pentru a lua în considerare parametrii fizici termici și condițiile limită ale materialului, cum ar fi puterea de încălzire și debitul de gaz.

În simularea CFD, metodele numerice utilizate în mod obișnuit includ metoda volumului finit (FVM) și metoda elementelor finite (FEM). Având în vedere caracteristicile echipamentului de creștere a cristalului monocristal SiC, metoda FVM este în general utilizată pentru a rezolva ecuațiile fluxului fluidului și conducției căldurii. În ceea ce privește ochiurile, este necesar să se acorde atenție subdivizării zonelor cheie, cum ar fi suprafața creuzetului de grafit și zona de creștere a unui singur cristal, pentru a asigura acuratețea rezultatelor simulării. Procesul de creștere al monocristalului de SiC implică o varietate de procese fizice, cum ar fi conducția căldurii, transferul de căldură prin radiație, mișcarea fluidului etc. În funcție de situația actuală, modelele fizice adecvate și condițiile de limită sunt selectate pentru simulare. De exemplu, luând în considerare conducția căldurii și transferul de căldură prin radiație între creuzetul de grafit și monocristalul SiC, trebuie stabilite condiții de limită adecvate pentru transferul de căldură; luând în considerare influența încălzirii prin inducție asupra mișcării fluidului, trebuie luate în considerare condițiile limită ale puterii de încălzire prin inducție.

Înainte de simularea CFD, este necesar să setați pasul de timp al simulării, criteriile de convergență și alți parametri și să efectuați calcule. În timpul procesului de simulare, este necesară ajustarea continuă a parametrilor pentru a asigura stabilitatea și convergența rezultatelor simulării și post-procesarea rezultatelor simulării, cum ar fi distribuția câmpului de temperatură, distribuția vitezei fluidului etc., pentru o analiză și optimizare ulterioară. . Acuratețea rezultatelor simulării este verificată prin compararea cu distribuția câmpului de temperatură, calitatea unui singur cristal și alte date din procesul de creștere real. Conform rezultatelor simulării, structura cuptorului, metoda de încălzire și alte aspecte sunt optimizate pentru a îmbunătăți eficiența creșterii și calitatea monocristalului a echipamentului de creștere SiC monocristal. Simularea CFD a proiectării câmpului termic al echipamentelor de creștere monocristal SiC implică stabilirea modelelor precise, selectarea metodelor numerice adecvate și a plasării, determinarea modelelor fizice și a condițiilor la limită, stabilirea și calcularea parametrilor de simulare și verificarea și optimizarea rezultatelor simulării. Simularea CFD științifică și rezonabilă poate oferi referințe importante pentru proiectarea și optimizarea echipamentelor de creștere cu un singur cristal SiC și poate îmbunătăți eficiența creșterii și calitatea unui singur cristal.

3.4 Proiectarea structurii cuptorului

Având în vedere că creșterea monocristalului de SiC necesită temperatură ridicată, inerție chimică și conductivitate termică bună, materialul corpului cuptorului ar trebui să fie selectat din materiale rezistente la temperaturi ridicate și la coroziune, cum ar fi ceramica cu carbură de siliciu (SiC), grafit etc. Materialul SiC are o excelentă calitate. stabilitate la temperaturi ridicate și inerție chimică și este un material ideal pentru corpul cuptorului. Suprafața peretelui interior a corpului cuptorului trebuie să fie netedă și uniformă pentru a reduce radiația termică și rezistența la transferul de căldură și pentru a îmbunătăți stabilitatea câmpului termic. Structura cuptorului trebuie simplificată cât mai mult posibil, cu mai puține straturi structurale pentru a evita concentrarea stresului termic și gradientul excesiv de temperatură. O structură cilindrică sau dreptunghiulară este de obicei utilizată pentru a facilita distribuția uniformă și stabilitatea câmpului termic. Elementele de încălzire auxiliare, cum ar fi bobinele de încălzire și rezistențele, sunt instalate în interiorul cuptorului pentru a îmbunătăți uniformitatea temperaturii și stabilitatea câmpului termic și pentru a asigura calitatea și eficiența creșterii monocristalului. Metodele comune de încălzire includ încălzirea prin inducție, încălzirea cu rezistență și încălzirea prin radiație. În echipamentele de creștere cu un singur cristal SiC, este adesea folosită o combinație de încălzire prin inducție și încălzire prin rezistență. Încălzirea prin inducție este utilizată în principal pentru încălzirea rapidă pentru a îmbunătăți uniformitatea temperaturii și stabilitatea câmpului termic; încălzirea cu rezistență este utilizată pentru a menține o temperatură constantă și un gradient de temperatură pentru a menține stabilitatea procesului de creștere. Încălzirea prin radiații poate îmbunătăți uniformitatea temperaturii în interiorul cuptorului, dar este de obicei folosită ca metodă de încălzire auxiliară.

4. Concluzie

Odată cu cererea tot mai mare de materiale SiC în electronica de putere, optoelectronica și alte domenii, dezvoltarea tehnologiei de creștere a unui singur cristal SiC va deveni un domeniu cheie al inovației științifice și tehnologice. Fiind nucleul echipamentului de creștere cu un singur cristal SiC, proiectarea câmpului termic va continua să primească o atenție extinsă și cercetări aprofundate. Direcțiile de dezvoltare viitoare includ optimizarea în continuare a structurii câmpului termic și a sistemului de control pentru a îmbunătăți eficiența producției și calitatea monocristalului; explorarea de noi materiale și tehnologii de procesare pentru a îmbunătăți stabilitatea și durabilitatea echipamentelor; și integrarea tehnologiei inteligente pentru a realiza controlul automat și monitorizarea de la distanță a echipamentelor.