Šiluminio lauko dizainas, skirtas SiC vieno kristalų augimui

1 Šiluminio lauko dizaino svarba SIC vieno kristalų augimo įrangoje

„SiC Single Crystal“ yra svarbi puslaidininkinė medžiaga, plačiai naudojama galios elektronikoje, optoelektronikoje ir aukštos temperatūros programose. Šiluminio lauko dizainas tiesiogiai veikia kristalų kristalizacijos elgseną, vienodumą ir priemaišų kontrolę ir turi lemiamą įtaką SIC vieno kristalų augimo įrangos veikimui ir išėjimui. SIC vieno kristalo kokybė daro tiesioginę įtaką jo našumui ir patikimumui prietaisų gamybai. Racionaliai projektuojant šiluminį lauką, galima išvengti temperatūros pasiskirstymo kristalų augimo metu, gali būti išvengta šiluminio įtempio ir šiluminio gradiento kristaluose, taip sumažinant kristalų defektų susidarymo greitį. Optimizuotas šiluminio lauko dizainas taip pat gali pagerinti kristalų veido kokybę ir kristalizacijos greitį, dar labiau pagerinti kristalo struktūrinį vientisumą ir cheminį grynumą ir užtikrinti, kad suaugęs SIC singlas kristalas turi geras elektrines ir optines savybes.

SIC vieno kristalo augimo tempas daro tiesioginį poveikį gamybos sąnaudoms ir pajėgumams. Racionaliai projektuojant šiluminį lauką, galima optimizuoti temperatūros gradientą ir šilumos srauto pasiskirstymą kristalų augimo proceso metu, o kristalų augimo greitis ir efektyvus augimo ploto panaudojimo greitis gali būti pagerintas. Šiluminio lauko dizainas taip pat gali sumažinti energijos nuostolius ir medžiagų atliekas augimo proceso metu, sumažinti gamybos sąnaudas ir pagerinti gamybos efektyvumą, taip padidindama SIC pavienių kristalų produkciją. SIC vieno kristalų augimo įrangai paprastai reikia daug energijos tiekimo ir aušinimo sistemos, o racionaliai projektuoti šiluminį lauką gali sumažinti energijos suvartojimą, sumažinti energijos suvartojimą ir išmetimą aplinkoje. Optimizuojant šiluminio lauko struktūrą ir šilumos srauto kelią, galima maksimaliai padidinti energiją, o atliekų šiluma gali būti perdirbta siekiant pagerinti energijos vartojimo efektyvumą ir sumažinti neigiamą poveikį aplinkai.

2 SiC vienviečių kristalų augimo įrangos šiluminio lauko projektavimo sunkumai

2.1 Medžiagų šiluminio laidumo nevienodumas

SIC yra labai svarbi puslaidininkinė medžiaga. Jo šilumos laidumas pasižymi aukšto temperatūros stabilumo ir puikaus šilumos laidumo savybėmis, tačiau šilumos laidumo pasiskirstymas turi tam tikrą nevienodumą. SiC vieno kristalų augimo metu, siekiant užtikrinti kristalų augimo vienodumą ir kokybę, terminį lauką reikia tiksliai kontroliuoti. SiC medžiagų šilumos laidumo nevienodumas lems šiluminio lauko pasiskirstymo nestabilumą, o tai savo ruožtu daro įtaką kristalų augimo vienodumui ir kokybei. SiC vieno kristalų augimo įranga paprastai naudoja fizinio garų nusėdimo (PVT) metodą arba dujų fazių transportavimo metodą, kurį reikia išlaikyti aukštos temperatūros aplinką augimo kameroje ir įgyvendinti kristalų augimą tiksliai kontroliuojant temperatūros pasiskirstymą. Dėl SIC medžiagų šilumos laidumo nevienodumo augimo kameroje nevienodos temperatūros pasiskirstymas, tai paveiks kristalų augimo procesą, kuris gali sukelti kristalų defektus arba nevienodos kristalų kokybę. Augant SIC pavieniams kristalams, reikia atlikti trimatį dinaminį modeliavimą ir šiluminio lauko analizę, kad būtų galima geriau suprasti besikeičiantį temperatūros pasiskirstymo dėsnį ir optimizuoti projektą, remiantis modeliavimo rezultatais. Dėl SIC medžiagų šilumos laidumo nevienodumo šiems modeliavimo analizėms gali paveikti tam tikra paklaidos laipsnis, taigi paveiks tikslią šiluminio lauko kontrolę ir optimizavimo projektą.

2.2 Konvekcijos reguliavimo sunkumas įrenginio viduje

SiC pavienių kristalų augimo metu reikia griežtai kontroliuoti temperatūrą, kad būtų užtikrintas kristalų vienodumas ir grynumas. Konvekcijos reiškinys įrangos viduje gali sukelti temperatūros lauko nevienodumą ir taip paveikti kristalų kokybę. Konvekcija paprastai sudaro temperatūros gradientą, dėl kurio kristalo paviršiuje susidaro netolygi struktūra, o tai savo ruožtu turi įtakos kristalų veikimui ir pritaikymui. Gera konvekcijos kontrolė gali reguliuoti dujų srauto greitį ir kryptį, o tai padeda sumažinti kristalo paviršiaus netolygumą ir pagerinti augimo efektyvumą. Dėl sudėtingos geometrinės struktūros ir dujų dinamikos proceso įrangos viduje labai sunku tiksliai valdyti konvekciją. Aukštos temperatūros aplinka sumažins šilumos perdavimo efektyvumą ir padidins temperatūros gradiento susidarymą įrangos viduje, taip paveikdama kristalų augimo vienodumą ir kokybę. Kai kurios ėsdinančios dujos gali paveikti medžiagas ir šilumos perdavimo elementus įrangos viduje ir taip paveikti konvekcijos stabilumą ir valdomumą. SiC monokristalų auginimo įranga paprastai turi sudėtingą struktūrą ir daugybę šilumos perdavimo mechanizmų, tokių kaip spinduliuotės šilumos perdavimas, konvekcinis šilumos perdavimas ir šilumos laidumas. Šie šilumos perdavimo mechanizmai yra sujungti vienas su kitu, todėl konvekcijos reguliavimas tampa sudėtingesnis, ypač kai įrenginio viduje vyksta daugiafaziai srauto ir fazių kaitos procesai, sunkiau tiksliai modeliuoti ir valdyti konvekciją.

3 Pagrindiniai SiC monokristalų auginimo įrangos šiluminio lauko projektavimo punktai

3.1 Šildymo galios pasiskirstymas ir valdymas

Šiluminio lauko projektavimo metu šildymo galios paskirstymo režimas ir valdymo strategija turėtų būti nustatyta atsižvelgiant į proceso parametrus ir kristalų augimo reikalavimus. SiC vieno krištolo augimo įrangoje šildymui naudojami grafito šildymo strypai arba indukciniai šildytuvai. Šiluminio lauko vienodumą ir stabilumą galima pasiekti projektuojant šildytuvo išdėstymą ir galios pasiskirstymą. Augant SiC pavieniams kristalams, temperatūros vienodumas daro didelę įtaką kristalo kokybei. Šildymo galios pasiskirstymas turėtų sugebėti užtikrinti temperatūros vienodumą šiluminiame lauke. Atliekant skaitmeninį modeliavimą ir eksperimentinį patikrinimą, galima nustatyti ryšį tarp šildymo galios ir temperatūros pasiskirstymo, tada gali būti optimizuota šildymo galios pasiskirstymo schema, kad temperatūros pasiskirstymas šiluminiame lauke būtų vienodesnis ir stabilesnis. Augant SIC pavieniams kristalams, šildymo galios kontrolė turėtų sugebėti pasiekti tikslų reguliavimą ir stabilią temperatūros kontrolę. Automatiniai valdymo algoritmai, tokie kaip PID valdiklis ar neryškus valdiklis, gali būti naudojami siekiant pasiekti uždaro ciklo šildymo galios valdymą, remiantis realaus laiko temperatūros duomenimis, kuriuos grąžina temperatūros jutikliai, kad būtų užtikrintas temperatūros stabilumas ir tolygumas šiluminiame lauke. Augant SiC pavieniams kristalams, šildymo galios dydis tiesiogiai paveiks kristalų augimo greitį. Šildymo galios kontrolė turėtų sugebėti pasiekti tikslų kristalų augimo greičio reguliavimą. Išanalizavus ir eksperimentiškai patikrinti ryšį tarp šildymo galios ir kristalų augimo greičio, galima nustatyti pagrįstą šildymo galios kontrolės strategiją, kad būtų galima tiksliai valdyti kristalų augimo greitį. Veikiant SIC vieno kristalų augimo įrangai, šildymo galios stabilumas daro didelę įtaką kristalų augimo kokybei. Norint užtikrinti šilumos galios stabilumą ir patikimumą, reikalinga stabili ir patikima šildymo įranga ir valdymo sistemos. Šildymo įrangą reikia reguliariai prižiūrėti ir aptarnaujama laiku atrasti ir išspręsti gedimus ir problemas šildymo įrangoje, kad būtų užtikrintas įprastas įrangos veikimas ir stabilios šildymo galios išeiga. Racionaliai projektuojant šildymo galios pasiskirstymo schemą, atsižvelgiant į ryšį tarp šildymo galios ir temperatūros pasiskirstymo, įgyvendinant tikslią šildymo galios valdymą ir užtikrinant šildymo galios stabilumą ir patikimumą, SIC pavienių krištolo augimo įrangos augimo efektyvumas ir kristalų kokybė gali būti Efektyviai pagerėjo, o SIC vieno kristalų augimo technologijos pažanga ir vystymasis gali būti skatinamas.

3.2 Temperatūros valdymo sistemos projektavimas ir reguliavimas

Prieš projektuojant temperatūros valdymo sistemą, norint modeliuoti ir apskaičiuoti šilumos perdavimo procesus, tokius kaip šilumos laidumas, konvekcija ir radiacija, reikalinga SIC pavienių kristalų augimo metu, norint gauti temperatūros lauko pasiskirstymą, reikalinga skaitmeninio modeliavimo analizė. Atlikus eksperimentinį patikrinimą, skaitmeninio modeliavimo rezultatai yra pataisomi ir sureguliuoti, kad būtų galima nustatyti temperatūros valdymo sistemos projektinius parametrus, tokius kaip šildymo galia, šildymo srities išdėstymas ir temperatūros jutiklio vieta. Augant SiC pavieniams kristalams, kaitinimui paprastai naudojamas atsparumo šildymas arba indukcija. Būtina pasirinkti tinkamą šildymo elementą. Atsparumo šildymui galima pasirinkti aukštos temperatūros atsparumo laidą arba atsparumo krosnį; Norint šildant indukciją, reikia pasirinkti tinkamą indukcijos šildymo ritę arba indukcinę šildymo plokštę. Renkantis šildymo elementą, reikia atsižvelgti į tokius veiksnius kaip kaitinimo efektyvumas, kaitinimo vienodumas, aukštos temperatūros atsparumas ir poveikis šiluminio lauko stabilumui. Temperatūros valdymo sistemos projektavimas turi atsižvelgti ne tik į temperatūros stabilumą ir vienodumą, bet ir temperatūros reguliavimo tikslumą bei atsako greitį. Norint pasiekti tikslią temperatūros valdymą ir koregavimą, būtina suprojektuoti pagrįstą temperatūros valdymo strategiją, tokią kaip PID valdymas, neaiškus valdymas ar nervų tinklo valdymas. Taip pat būtina suprojektuoti tinkamą temperatūros reguliavimo schemą, tokią kaip kelių taškų jungčių reguliavimas, vietinis kompensavimo reguliavimas ar grįžtamojo ryšio reguliavimas, kad būtų užtikrintas vienodas ir stabilus viso šiluminio lauko paskirstymas. Norint įgyvendinti tikslų temperatūros stebėjimą ir kontrolę augant SIC pavieniams kristalams, būtina pritaikyti pažangias temperatūros jutimo technologijas ir valdiklio įrangą. Galite pasirinkti aukšto tikslumo temperatūros jutiklius, tokius kaip termoelekupos, šiluminiai rezistoriai ar infraraudonųjų spindulių termometrai, kad būtų galima stebėti kiekvienos srities temperatūros pokyčius realiu laiku, ir pasirinkti aukštos kokybės temperatūros valdiklio įrangą, pavyzdžiui, PLC valdiklį (žr. 1 paveikslą) arba DSP valdiklį , siekiant tiksliai valdyti ir koreguoti kaitinimo elementus. Nustatydami projektavimo parametrus, pagrįstus skaitmeniniu modeliavimu ir eksperimentiniais patikrinimo metodais, pasirinkdami tinkamus šildymo metodus ir šildymo elementus, projektuodami pagrįstas temperatūros valdymo strategijas ir reguliavimo schemas, ir naudodami pažangias temperatūros jutimo technologijas ir valdiklio įrangą, galite efektyviai pasiekti tikslią valdymą ir reguliavimo kontrolę ir reguliavimą. SiC pavienių kristalų augimo temperatūra ir pagerina pavienių kristalų kokybę ir išeigą.

3.3 Skaičiavimo skysčių dinamikos modeliavimas

Tikslaus modelio nustatymas yra skaičiavimo skysčių dinamikos (CFD) modeliavimo pagrindas. SiC vieno kristalų augimo įrangą paprastai sudaro grafito krosnies, indukcijos šildymo sistema, tiglis, apsauginės dujos ir kt. Modeliavimo procese būtina atsižvelgti , ir medžiagos judėjimo įtaka srauto laukui. Trimatis modeliavimas naudojamas tiksliai rekonstruoti krosnies, tiglio, indukcijos ritės ir kt. Geometrines formas, ir apsvarstykite medžiagos šiluminius fizinius parametrus ir ribines sąlygas, tokias kaip šildymo galia ir dujų srautas.

CFD modeliavime dažniausiai naudojami skaitmeniniai metodai apima baigtinio tūrio metodą (FVM) ir baigtinių elementų metodą (FEM). Atsižvelgiant į SiC monokristalų auginimo įrangos ypatybes, FVM metodas paprastai naudojamas skysčio srauto ir šilumos laidumo lygtims išspręsti. Kalbant apie tinklelį, būtina atkreipti dėmesį į pagrindinių sričių, tokių kaip grafito tiglio paviršius ir vieno kristalo augimo sritis, padalijimą, kad būtų užtikrintas modeliavimo rezultatų tikslumas. SiC monokristalo augimo procesas apima įvairius fizinius procesus, tokius kaip šilumos laidumas, spinduliuotės šilumos perdavimas, skysčių judėjimas ir kt. Pagal esamą situaciją modeliavimui parenkami tinkami fizikiniai modeliai ir ribinės sąlygos. Pavyzdžiui, atsižvelgiant į šilumos laidumą ir spinduliuotės šilumos perdavimą tarp grafito tiglio ir SiC monokristalo, reikia nustatyti atitinkamas šilumos perdavimo ribines sąlygas; Atsižvelgiant į indukcinio šildymo įtaką skysčio judėjimui, reikia atsižvelgti į ribines indukcinio šildymo galios sąlygas.

Prieš CFD modeliavimą, būtina nustatyti modeliavimo laiko žingsnį, konvergencijos kriterijus ir kitus parametrus ir atlikti skaičiavimus. Modeliavimo proceso metu būtina nuolat koreguoti parametrus, kad būtų užtikrintas modeliavimo rezultatų stabilumas ir konvergencija, ir po to, kai bus perdirbta modeliavimo rezultatai, tokie kaip temperatūros lauko pasiskirstymas, skysčio greičio pasiskirstymas ir kt., Norint tolesnei analizei ir optimizavimui . Modeliavimo rezultatų tikslumas patikrinamas palyginus su temperatūros lauko pasiskirstymu, vieno kristalų kokybe ir kitus duomenis faktiniame augimo procese. Remiantis modeliavimo rezultatais, krosnies struktūra, šildymo metodas ir kiti aspektai yra optimizuoti siekiant pagerinti SIC vieno kristalų augimo įrangos augimo efektyvumą ir vienos kristalų kokybę. CFD SIC vieno kristalų augimo įrangos šiluminio lauko projektavimo modeliavimas apima tikslius modelius, tinkamų skaitmeninių metodų pasirinkimą ir sujungimą, fizinių modelių ir ribinių sąlygų nustatymą, modeliavimo parametrų nustatymą ir apskaičiavimą bei modeliavimo rezultatų patikrinimą ir optimizavimą. Mokslinis ir pagrįstas CFD modeliavimas gali pateikti svarbias nuorodas į SIC vieno kristalų augimo įrangos projektavimą ir optimizavimą bei pagerinti augimo efektyvumą ir vieno kristalų kokybę.

3.4 krosnies struktūros dizainas

Atsižvelgiant į tai, kad SiC monokristalams augti reikalinga aukšta temperatūra, cheminis inertiškumas ir geras šilumos laidumas, krosnies korpuso medžiaga turėtų būti parinkta iš aukštai temperatūrai ir korozijai atsparių medžiagų, tokių kaip silicio karbido keramika (SiC), grafitas ir kt. SiC medžiaga pasižymi puikiomis savybėmis. Aukštos temperatūros stabilumas ir cheminis inertiškumas ir yra ideali krosnies korpuso medžiaga. Vidinis krosnies korpuso sienelės paviršius turi būti lygus ir vienodas, kad būtų sumažintas šiluminės spinduliuotės ir šilumos perdavimo atsparumas bei pagerintas šiluminio lauko stabilumas. Krosnies konstrukcija turėtų būti kiek įmanoma supaprastinta, naudojant mažiau struktūrinių sluoksnių, kad būtų išvengta šiluminio įtempio koncentracijos ir per didelio temperatūros gradiento. Cilindrinė arba stačiakampė konstrukcija paprastai naudojama vienodam šiluminio lauko pasiskirstymui ir stabilumui palengvinti. Pagalbiniai kaitinimo elementai, tokie kaip kaitinimo ritės ir rezistoriai, yra nustatyti krosnies viduje, siekiant pagerinti temperatūros vienodumą ir šiluminio lauko stabilumą bei užtikrinti vieno kristalo augimo kokybę ir efektyvumą. Įprasti šildymo būdai yra indukcinis šildymas, varžinis šildymas ir radiacinis šildymas. SiC monokristalų auginimo įrangoje dažnai naudojamas indukcinio šildymo ir varžinio šildymo derinys. Indukcinis šildymas daugiausia naudojamas greitam šildymui, siekiant pagerinti temperatūros vienodumą ir šiluminio lauko stabilumą; atsparus šildymas naudojamas palaikyti pastovią temperatūrą ir temperatūros gradientą, kad būtų išlaikytas augimo proceso stabilumas. Radiacinis šildymas gali pagerinti temperatūros vienodumą krosnies viduje, tačiau dažniausiai jis naudojamas kaip pagalbinis šildymo būdas.

4 Išvada

Didėjant SiC medžiagų paklausai galios elektronikos, optoelektronikos ir kitose srityse, SiC monokristalų augimo technologijos kūrimas taps pagrindine mokslo ir technologijų inovacijų sritimi. Kaip SiC monokristalų auginimo įrangos pagrindas, šiluminio lauko projektavimui ir toliau bus skiriamas didelis dėmesys ir išsamūs tyrimai. Ateities plėtros kryptys apima tolesnį terminio lauko struktūros ir valdymo sistemos optimizavimą, siekiant pagerinti gamybos efektyvumą ir monokristalų kokybę; naujų medžiagų ir apdirbimo technologijų tyrinėjimas, siekiant pagerinti įrangos stabilumą ir ilgaamžiškumą; ir integruoti pažangias technologijas, kad būtų galima automatiškai valdyti ir nuotoliniu būdu stebėti įrangą.