Termovälja kujundus SiC ühekristalli kasvatamiseks

1 Soojusvälja disaini tähtsus SiC monokristallide kasvuseadmetes

SiC monokristall on oluline pooljuhtmaterjal, mida kasutatakse laialdaselt jõuelektroonikas, optoelektroonikas ja kõrgtemperatuurilistes rakendustes. Soojusvälja disain mõjutab otseselt kristalli kristalliseerumiskäitumist, ühtlust ja lisandite kontrolli ning sellel on otsustav mõju SiC monokristallide kasvatamise seadmete jõudlusele ja väljundile. SiC monokristalli kvaliteet mõjutab otseselt selle jõudlust ja töökindlust seadme valmistamisel. Termovälja ratsionaalse disainiga on võimalik saavutada kristallide kasvu ajal temperatuurijaotuse ühtlus, vältida termilist pinget ja termilist gradienti kristallis, vähendades seeläbi kristallide defektide teket. Optimeeritud soojusvälja disain võib parandada ka kristalli pinna kvaliteeti ja kristalliseerumiskiirust, parandada veelgi kristalli struktuurilist terviklikkust ja keemilist puhtust ning tagada, et kasvatatud SiC monokristallidel on head elektrilised ja optilised omadused.

SiC monokristalli kasvukiirus mõjutab otseselt tootmiskulusid ja võimsust. Termovälja ratsionaalse kavandamisega saab optimeerida temperatuuri gradienti ja soojusvoo jaotust kristallide kasvuprotsessi ajal ning parandada kristalli kasvukiirust ja kasvuala efektiivset kasutusmäära. Termovälja disain võib samuti vähendada energiakadu ja materjali raiskamist kasvuprotsessi ajal, vähendada tootmiskulusid ja parandada tootmise efektiivsust, suurendades seeläbi SiC monokristallide toodangut. SiC monokristallide kasvatamise seadmed nõuavad tavaliselt suurel hulgal energiavarustus- ja jahutussüsteemi ning termilise välja ratsionaalne projekteerimine võib vähendada energiatarbimist, energiatarbimist ja keskkonnaheiteid. Soojusvälja struktuuri ja soojusvoolutee optimeerimisega saab energiat maksimeerida ja heitsoojust taaskasutada, et parandada energiatõhusust ja vähendada negatiivset mõju keskkonnale.

2 Raskused SiC monokristallide kasvuseadmete termilise välja kujundamisel

2.1 Materjalide soojusjuhtivuse ebaühtlus

SiC on väga oluline pooljuhtmaterjal. Selle soojusjuhtivuse omadused on kõrge temperatuuri stabiilsus ja suurepärane soojusjuhtivus, kuid selle soojusjuhtivuse jaotus on teatud ebaühtlane. SiC monokristallide kasvatamise protsessis tuleb kristallide kasvu ühtluse ja kvaliteedi tagamiseks soojusvälja täpselt kontrollida. SiC materjalide soojusjuhtivuse ebaühtlus põhjustab soojusvälja jaotuse ebastabiilsust, mis omakorda mõjutab kristallide kasvu ühtlust ja kvaliteeti. SiC monokristallide kasvatamise seadmed kasutavad tavaliselt füüsikalise aurustamise-sadestamise (PVT) meetodit või gaasifaasi transpordimeetodit, mis nõuab kasvukambris kõrge temperatuuriga keskkonna säilitamist ja kristallide kasvu, kontrollides täpselt temperatuuri jaotust. SiC materjalide soojusjuhtivuse ebaühtlus põhjustab kasvukambris ebaühtlase temperatuuri jaotuse, mõjutades seeläbi kristallide kasvuprotsessi, mis võib põhjustada kristallide defekte või ebaühtlast kristallide kvaliteeti. SiC monokristallide kasvamise käigus on vaja läbi viia kolmemõõtmeline dünaamiline simulatsioon ja soojusvälja analüüs, et paremini mõista muutuvat temperatuurijaotuse seadust ning optimeerida simulatsiooni tulemuste põhjal disaini. SiC materjalide soojusjuhtivuse ebaühtluse tõttu võib neid simulatsioonianalüüse mõjutada teatud veamäär, mõjutades seega soojusvälja täpset juhtimist ja optimeerimist.

2.2 Konvektsiooni reguleerimise raskused seadme sees

SiC monokristallide kasvamise ajal tuleb kristallide ühtluse ja puhtuse tagamiseks säilitada range temperatuuri kontroll. Konvektsiooninähtus seadme sees võib põhjustada temperatuurivälja ebaühtlust, mõjutades seeläbi kristallide kvaliteeti. Konvektsioon moodustab tavaliselt temperatuurigradiendi, mille tulemusena tekib kristalli pinnal ebaühtlane struktuur, mis omakorda mõjutab kristallide jõudlust ja rakendust. Hea konvektsioonijuhtimine võib reguleerida gaasivoolu kiirust ja suunda, mis aitab vähendada kristalli pinna ebaühtlust ja parandada kasvu efektiivsust. Seadmesisene keeruline geomeetriline struktuur ja gaasidünaamika protsess muudavad konvektsiooni täpse juhtimise äärmiselt keeruliseks. Kõrge temperatuuriga keskkond vähendab soojusülekande efektiivsust ja suurendab temperatuurigradiendi moodustumist seadmete sees, mõjutades seega kristallide kasvu ühtlust ja kvaliteeti. Mõned söövitavad gaasid võivad mõjutada seadme sees olevaid materjale ja soojusülekandeelemente, mõjutades seeläbi konvektsiooni stabiilsust ja juhitavust. SiC monokristallide kasvatamise seadmetel on tavaliselt keeruline struktuur ja mitu soojusülekandemehhanismi, nagu kiirgussoojusülekanne, konvektsioonsoojusülekanne ja soojusjuhtivus. Need soojusülekandemehhanismid on omavahel ühendatud, muutes konvektsiooni reguleerimise keerulisemaks, eriti kui seadme sees on mitmefaasilised voolu- ja faasimuutused, on konvektsiooni täpsem modelleerimine ja juhtimine keerulisem.

3 SiC monokristallide kasvuseadmete termilise välja kujundamise põhipunktid

3.1 Küttevõimsuse jaotus ja juhtimine

Soojusvälja projekteerimisel tuleks küttevõimsuse jaotusrežiim ja juhtimisstrateegia määrata vastavalt protsessi parameetritele ja kristallide kasvu nõuetele. SiC monokristallide kasvatamise seadmed kasutavad soojendamiseks grafiidist kuumutusvardaid või induktsioonkuumutisi. Soojusvälja ühtlust ja stabiilsust saab saavutada küttekeha paigutuse ja võimsusjaotuse kavandamisega. SiC monokristallide kasvu ajal mõjutab temperatuuri ühtlus kristallide kvaliteeti oluliselt. Küttevõimsuse jaotus peaks suutma tagada temperatuuri ühtluse soojusväljas. Numbrilise simulatsiooni ja eksperimentaalse kontrollimise abil saab määrata küttevõimsuse ja temperatuurijaotuse vahelise seose ning seejärel optimeerida küttevõimsuse jaotusskeemi, et muuta temperatuurijaotus soojusväljas ühtlasemaks ja stabiilsemaks. SiC monokristallide kasvu ajal peaks küttevõimsuse reguleerimine suutma saavutada täpset reguleerimist ja temperatuuri stabiilset reguleerimist. Automaatseid juhtimisalgoritme, nagu PID-regulaator või fuzzy-kontroller, saab kasutada küttevõimsuse suletud ahelaga reguleerimiseks, mis põhinevad temperatuuriandurite poolt tagasisidestatud reaalajas temperatuuriandmetel, et tagada temperatuuri stabiilsus ja ühtlus termilises väljas. SiC monokristallide kasvu ajal mõjutab küttevõimsuse suurus otseselt kristallide kasvukiirust. Küttevõimsuse reguleerimine peaks võimaldama saavutada kristallide kasvukiiruse täpset reguleerimist. Küttevõimsuse ja kristallide kasvukiiruse vahelist seost analüüsides ja eksperimentaalselt kontrollides saab kristallide kasvukiiruse täpse kontrolli saavutamiseks määrata mõistliku küttevõimsuse reguleerimise strateegia. SiC monokristallide kasvatamise seadmete töötamise ajal on küttevõimsuse stabiilsusel oluline mõju kristallide kasvu kvaliteedile. Küttevõimsuse stabiilsuse ja töökindluse tagamiseks on vaja stabiilseid ja töökindlaid kütteseadmeid ja juhtimissüsteeme. Kütteseadmeid tuleb regulaarselt hooldada ja hooldada, et õigeaegselt avastada ja lahendada kütteseadmetes esinevad rikked ja probleemid, et tagada seadmete normaalne töö ja stabiilne küttevõimsuse väljund. Ratsionaalselt kavandades küttevõimsuse jaotusskeemi, arvestades küttevõimsuse ja temperatuurijaotuse vahelist seost, realiseerides küttevõimsuse täpset reguleerimist ning tagades küttevõimsuse stabiilsuse ja töökindluse, saab SiC monokristallide kasvatamise seadmete kasvuefektiivsust ja kristallide kvaliteeti parandada. tõhusalt täiustatud ning SiC monokristallide kasvutehnoloogia edenemist ja arengut saab edendada.

3.2 Temperatuuri reguleerimise süsteemi projekteerimine ja reguleerimine

Enne temperatuuri reguleerimissüsteemi kavandamist on temperatuurivälja jaotuse saamiseks vaja arvulist simulatsioonianalüüsi, et simuleerida ja arvutada soojusülekandeprotsesse, nagu soojusjuhtivus, konvektsioon ja kiirgus SiC monokristallide kasvu ajal. Eksperimentaalse kontrollimise teel korrigeeritakse ja kohandatakse numbrilisi simulatsiooni tulemusi, et määrata kindlaks temperatuuri reguleerimissüsteemi projekteerimisparameetrid, nagu küttevõimsus, küttepiirkonna paigutus ja temperatuurianduri asukoht. SiC monokristallide kasvamise ajal kasutatakse kuumutamiseks tavaliselt takistus- või induktsioonkuumutamist. On vaja valida sobiv kütteelement. Takistuskütte jaoks saab kütteelemendiks valida kõrgtemperatuurse takistustraadi või takistusahju; induktsioonkuumutamiseks tuleb valida sobiv induktsioonkuumutusspiraal või induktsioonkuumutusplaat. Kütteelemendi valimisel tuleb arvesse võtta selliseid tegureid nagu kütte efektiivsus, kütte ühtlus, vastupidavus kõrgele temperatuurile ja mõju soojusvälja stabiilsusele. Temperatuuri reguleerimissüsteemi projekteerimisel tuleb arvesse võtta mitte ainult temperatuuri stabiilsust ja ühtlust, vaid ka temperatuuri reguleerimise täpsust ja reageerimiskiirust. Temperatuuri täpse juhtimise ja reguleerimise saavutamiseks on vaja kavandada mõistlik temperatuuri reguleerimise strateegia, nagu PID-juhtimine, hägune juhtimine või närvivõrgu juhtimine. Samuti on vaja välja töötada sobiv temperatuuri reguleerimise skeem, näiteks mitmepunktilise ühenduslüli reguleerimine, lokaalse kompensatsiooni reguleerimine või tagasiside reguleerimine, et tagada kogu soojusvälja ühtlane ja stabiilne temperatuurijaotus. Temperatuuri täpseks jälgimiseks ja juhtimiseks SiC monokristallide kasvu ajal on vaja kasutusele võtta täiustatud temperatuurianduri tehnoloogia ja kontroller. Saate valida ülitäpsed temperatuuriandurid, nagu termopaarid, termotakistid või infrapunatermomeetrid, et jälgida reaalajas temperatuurimuutusi igas piirkonnas, ja valida suure jõudlusega temperatuuriregulaatori seadmed, nagu PLC-kontroller (vt joonis 1) või DSP-kontroller. , et saavutada kütteelementide täpne juhtimine ja reguleerimine. Määrates arvulistel simulatsioonidel ja eksperimentaalsetel kontrollimeetoditel põhinevad konstruktsiooniparameetrid, valides sobivad küttemeetodid ja kütteelemendid, kavandades mõistlikud temperatuuri reguleerimise strateegiad ja reguleerimisskeemid ning kasutades täiustatud temperatuurianduri tehnoloogiat ja kontrolleriseadmeid, saate tõhusalt saavutada temperatuuri täpse juhtimise ja reguleerimise. temperatuur SiC monokristallide kasvu ajal ning parandada üksikkristallide kvaliteeti ja saagist.

3.3 Arvutuslik vedeliku dünaamika simulatsioon

Täpse mudeli loomine on arvutusvedeliku dünaamika (CFD) simulatsiooni aluseks. SiC monokristallide kasvatamise seadmed koosnevad tavaliselt grafiitahjust, induktsioonkuumutussüsteemist, tiiglist, kaitsegaasist jne. Modelleerimisel tuleb arvestada ahju konstruktsiooni keerukust, küttemeetodi omadusi. ja materjali liikumise mõju vooluväljale. Kolmemõõtmelist modelleerimist kasutatakse ahju, tiigli, induktsioonpooli jne geomeetriliste kujundite täpseks rekonstrueerimiseks ning materjali soojusfüüsikaliste parameetrite ja piirtingimuste, näiteks küttevõimsuse ja gaasi voolukiiruse arvestamiseks.

CFD simulatsioonis on tavaliselt kasutatavad arvulised meetodid lõpliku mahu meetod (FVM) ja lõplike elementide meetod (FEM). SiC monokristallide kasvatamise seadmete omadusi silmas pidades kasutatakse vedeliku voolu ja soojusjuhtivuse võrrandite lahendamiseks üldiselt FVM-meetodit. Võrgustumise osas tuleb simulatsioonitulemuste täpsuse tagamiseks tähelepanu pöörata võtmealade, nagu grafiittiigli pind ja monokristalli kasvuala, jagamisele. SiC monokristalli kasvuprotsess hõlmab mitmesuguseid füüsikalisi protsesse, nagu soojusjuhtivus, kiirgussoojusülekanne, vedeliku liikumine jne. Vastavalt tegelikule olukorrale valitakse simuleerimiseks sobivad füüsikalised mudelid ja piirtingimused. Näiteks, võttes arvesse soojusjuhtivust ja kiirgussoojusülekannet grafiittiigli ja SiC monokristalli vahel, tuleb kehtestada sobivad soojusülekande piirtingimused; Arvestades induktsioonkuumutuse mõju vedeliku liikumisele, tuleb arvesse võtta induktsioonkuumutusvõimsuse piirtingimusi.

Enne CFD simulatsiooni on vaja määrata simulatsiooni aja samm, konvergentsi kriteeriumid ja muud parameetrid ning teha arvutused. Simulatsiooniprotsessi käigus on vaja pidevalt parameetreid kohandada, et tagada simulatsiooni tulemuste stabiilsus ja ühtlustumine ning simulatsiooni tulemuste, nagu temperatuurivälja jaotus, vedeliku kiiruse jaotus jne, järeltöötlus edasiseks analüüsiks ja optimeerimiseks. . Simulatsiooni tulemuste täpsust kontrollitakse, võrreldes temperatuurivälja jaotuse, monokristalli kvaliteedi ja muude tegeliku kasvuprotsessi andmetega. Simulatsioonitulemuste kohaselt on ahju struktuur, küttemeetod ja muud aspektid optimeeritud, et parandada SiC monokristallide kasvatamise seadmete kasvutõhusust ja monokristallide kvaliteeti. SiC monokristallide kasvuseadmete termilise välja disaini CFD-simulatsioon hõlmab täpsete mudelite loomist, sobivate numbriliste meetodite ja võrkude valimist, füüsiliste mudelite ja piirtingimuste määramist, simulatsiooniparameetrite seadmist ja arvutamist ning simulatsioonitulemuste kontrollimist ja optimeerimist. Teaduslik ja mõistlik CFD-simulatsioon võib pakkuda olulisi viiteid ränikarbiidi monokristallide kasvatamise seadmete kavandamiseks ja optimeerimiseks ning parandada kasvu efektiivsust ja monokristallide kvaliteeti.

3.4 Ahju konstruktsiooni projekteerimine

Arvestades, et ränikarbiidi monokristallide kasvatamiseks on vaja kõrget temperatuuri, keemilist inertsust ja head soojusjuhtivust, tuleks ahju korpuse materjal valida kõrge temperatuuri ja korrosioonikindlate materjalide hulgast, nagu ränikarbiidkeraamika (SiC), grafiit jne. SiC materjalil on suurepärane omadus. kõrge temperatuuri stabiilsus ja keemiline inertsus ning see on ideaalne ahju korpuse materjal. Ahju korpuse siseseina pind peaks olema sile ja ühtlane, et vähendada soojuskiirguse ja soojusülekande takistust ning parandada soojusvälja stabiilsust. Ahju struktuuri tuleks võimalikult palju lihtsustada, kasutades vähem konstruktsioonikihte, et vältida termilise pinge kontsentratsiooni ja liigset temperatuurigradienti. Tavaliselt kasutatakse soojusvälja ühtlase jaotuse ja stabiilsuse hõlbustamiseks silindrilist või ristkülikukujulist struktuuri. Täiendavad kütteelemendid, nagu küttespiraalid ja takistid, on paigaldatud ahju sisse, et parandada temperatuuri ühtlust ja soojusvälja stabiilsust ning tagada monokristallide kasvu kvaliteet ja tõhusus. Levinud küttemeetodid hõlmavad induktsioonkuumutamist, takistuskütet ja kiirguskütet. SiC monokristallide kasvatamise seadmetes kasutatakse sageli induktsioonkuumutuse ja takistuskuumutuse kombinatsiooni. Induktsioonkuumutamist kasutatakse peamiselt kiireks kuumutamiseks, et parandada temperatuuri ühtlust ja soojusvälja stabiilsust; takistuskuumutamist kasutatakse püsiva temperatuuri ja temperatuurigradiendi hoidmiseks, et säilitada kasvuprotsessi stabiilsus. Kiirgusküte võib parandada temperatuuri ühtlust ahju sees, kuid tavaliselt kasutatakse seda abiküttemeetodina.

4. Järeldus

Seoses kasvava nõudlusega ränikarbiidi materjalide järele jõuelektroonikas, optoelektroonikas ja muudes valdkondades muutub ränikarbiidi monokristallide kasvutehnoloogia arendamine teaduse ja tehnoloogilise innovatsiooni võtmevaldkonnaks. SiC monokristallide kasvatamise seadmete tuumana pööratakse soojusvälja disainile jätkuvalt laialdast tähelepanu ja põhjalikku uurimistööd. Tulevased arengusuunad hõlmavad soojusvälja struktuuri ja juhtimissüsteemi edasist optimeerimist, et parandada tootmise efektiivsust ja monokristallide kvaliteeti; uute materjalide ja töötlemistehnoloogia uurimine, et parandada seadmete stabiilsust ja vastupidavust; ja intelligentse tehnoloogia integreerimine, et saavutada seadmete automaatne juhtimine ja kaugseire.