Thermisch veldontwerp voor de groei van SiC-enkele kristallen

1 Belang van thermisch veldontwerp in SiC-apparatuur voor monokristalgroei

SiC-monokristal is een belangrijk halfgeleidermateriaal dat veel wordt gebruikt in vermogenselektronica, opto-elektronica en toepassingen bij hoge temperaturen. Het thermische veldontwerp heeft een directe invloed op het kristallisatiegedrag, de uniformiteit en de onzuiverheidscontrole van het kristal, en heeft een beslissende invloed op de prestaties en output van SiC-apparatuur voor monokristalgroei. De kwaliteit van SiC-monokristal heeft rechtstreeks invloed op de prestaties en betrouwbaarheid bij de productie van apparaten. Door het thermische veld rationeel te ontwerpen, kan de uniformiteit van de temperatuurverdeling tijdens kristalgroei worden bereikt, kunnen thermische spanningen en thermische gradiënt in het kristal worden vermeden, waardoor de vormingssnelheid van kristaldefecten wordt verminderd. Een geoptimaliseerd thermisch veldontwerp kan ook de kwaliteit van het kristaloppervlak en de kristallisatiesnelheid verbeteren, de structurele integriteit en chemische zuiverheid van het kristal verder verbeteren en ervoor zorgen dat het gegroeide SiC-monokristal goede elektrische en optische eigenschappen heeft.

De groeisnelheid van SiC-monokristal heeft rechtstreeks invloed op de productiekosten en capaciteit. Door het thermische veld rationeel te ontwerpen, kunnen de temperatuurgradiënt en de warmtestroomverdeling tijdens het kristalgroeiproces worden geoptimaliseerd, en kunnen de groeisnelheid van het kristal en de effectieve benuttingsgraad van het groeigebied worden verbeterd. Het ontwerp van het thermische veld kan ook energieverlies en materiaalverspilling tijdens het groeiproces verminderen, de productiekosten verlagen en de productie-efficiëntie verbeteren, waardoor de output van SiC-eenkristallen toeneemt. SiC-apparatuur voor monokristalgroei vereist gewoonlijk een grote hoeveelheid energietoevoer en koelsysteem, en het rationeel ontwerpen van het thermische veld kan het energieverbruik verminderen, het energieverbruik en de milieu-emissies verminderen. Door de thermische veldstructuur en het warmtestroompad te optimaliseren, kan de energie worden gemaximaliseerd en kan afvalwarmte worden gerecycled om de energie-efficiëntie te verbeteren en de negatieve gevolgen voor het milieu te verminderen.

2 Moeilijkheden bij het ontwerpen van thermische velden van SiC-apparatuur voor monokristalgroei

2.1 Niet-uniformiteit van thermische geleidbaarheid van materialen

SiC is een zeer belangrijk halfgeleidermateriaal. Zijn thermische geleidbaarheid heeft de kenmerken van stabiliteit bij hoge temperaturen en uitstekende thermische geleidbaarheid, maar de verdeling van de thermische geleidbaarheid heeft een bepaalde niet-uniformiteit. Om de uniformiteit en kwaliteit van de kristalgroei te garanderen, moet het thermische veld tijdens het proces van SiC-eenkristalgroei nauwkeurig worden gecontroleerd. De niet-uniformiteit van de thermische geleidbaarheid van SiC-materialen zal leiden tot de instabiliteit van de thermische veldverdeling, wat op zijn beurt de uniformiteit en kwaliteit van de kristalgroei beïnvloedt. SiC-apparatuur voor eenkristalgroei maakt gewoonlijk gebruik van de fysische dampafzettingsmethode (PVT) of de gasfasetransportmethode, waarbij een omgeving met hoge temperaturen in de groeikamer moet worden gehandhaafd en kristalgroei moet worden gerealiseerd door de temperatuurverdeling nauwkeurig te regelen. De niet-uniformiteit van de thermische geleidbaarheid van SiC-materialen zal leiden tot een niet-uniforme temperatuurverdeling in de groeikamer, waardoor het kristalgroeiproces wordt beïnvloed, wat kristaldefecten of een niet-uniforme kristalkwaliteit kan veroorzaken. Tijdens de groei van SiC-monokristallen is het noodzakelijk om driedimensionale dynamische simulatie en analyse van het thermische veld uit te voeren om de veranderende wet van temperatuurverdeling beter te begrijpen en het ontwerp te optimaliseren op basis van de simulatieresultaten. Vanwege de niet-uniformiteit van de thermische geleidbaarheid van SiC-materialen kunnen deze simulatieanalyses worden beïnvloed door een bepaalde mate van fouten, waardoor de precieze controle en optimalisatie van het thermische veld worden beïnvloed.

2.2 Moeilijkheden bij convectieregulatie in de apparatuur

Tijdens de groei van SiC-eenkristallen moet een strikte temperatuurcontrole worden gehandhaafd om de uniformiteit en zuiverheid van de kristallen te garanderen. Het convectiefenomeen in de apparatuur kan de niet-uniformiteit van het temperatuurveld veroorzaken, waardoor de kwaliteit van de kristallen wordt beïnvloed. Convectie vormt meestal een temperatuurgradiënt, wat resulteert in een niet-uniforme structuur op het kristaloppervlak, wat op zijn beurt de prestaties en toepassing van de kristallen beïnvloedt. Een goede convectiecontrole kan de snelheid en richting van de gasstroom aanpassen, wat helpt de niet-uniformiteit van het kristaloppervlak te verminderen en de groei-efficiëntie te verbeteren. De complexe geometrische structuur en het gasdynamicaproces in de apparatuur maken het uiterst moeilijk om de convectie nauwkeurig te regelen. Een omgeving met hoge temperaturen zal leiden tot een afname van de efficiëntie van de warmteoverdracht en zal de vorming van een temperatuurgradiënt in de apparatuur vergroten, waardoor de uniformiteit en kwaliteit van de kristalgroei wordt beïnvloed. Sommige corrosieve gassen kunnen de materialen en warmteoverdrachtselementen in de apparatuur aantasten, waardoor de stabiliteit en beheersbaarheid van de convectie worden aangetast. SiC-apparatuur voor monokristalgroei heeft gewoonlijk een complexe structuur en meerdere mechanismen voor warmteoverdracht, zoals stralingswarmteoverdracht, convectiewarmteoverdracht en warmtegeleiding. Deze mechanismen voor warmteoverdracht zijn met elkaar gekoppeld, waardoor de convectieregeling ingewikkelder wordt. Vooral als er meerfasige stromings- en faseveranderingsprocessen in de apparatuur plaatsvinden, is het moeilijker om de convectie nauwkeurig te modelleren en te controleren.

3 Kernpunten van thermisch veldontwerp van SiC-apparatuur voor monokristalgroei

3.1 Distributie en regeling van verwarmingsvermogen

Bij het ontwerpen van thermische velden moeten de distributiemodus en de regelstrategie van verwarmingsvermogen worden bepaald op basis van de procesparameters en vereisten van kristalgroei. SiC-apparatuur voor monokristalgroei maakt gebruik van grafietverwarmingsstaven of inductieverhitters voor verwarming. De uniformiteit en stabiliteit van het thermische veld kan worden bereikt door de lay-out en de stroomverdeling van de verwarmer te ontwerpen. Tijdens de groei van SiC-monokristallen heeft de temperatuuruniformiteit een belangrijke invloed op de kwaliteit van het kristal. De verdeling van het verwarmingsvermogen moet de uniformiteit van de temperatuur op thermisch gebied kunnen garanderen. Door numerieke simulatie en experimentele verificatie kan de relatie tussen verwarmingsvermogen en temperatuurverdeling worden bepaald, en vervolgens kan het verwarmingsvermogenverdelingsschema worden geoptimaliseerd om de temperatuurverdeling in het thermische veld uniformer en stabieler te maken. Tijdens de groei van SiC-eenkristallen moet de controle van het verwarmingsvermogen een nauwkeurige regeling en stabiele temperatuurregeling kunnen bereiken. Automatische regelalgoritmen zoals een PID-regelaar of fuzzy-regelaar kunnen worden gebruikt om een ​​gesloten-lusregeling van het verwarmingsvermogen te bereiken op basis van realtime temperatuurgegevens die worden teruggekoppeld door temperatuursensoren om de stabiliteit en uniformiteit van de temperatuur in het thermische veld te garanderen. Tijdens de groei van enkele SiC-kristallen zal de grootte van het verwarmingsvermogen rechtstreeks de kristalgroeisnelheid beïnvloeden. De controle van het verwarmingsvermogen zou een nauwkeurige regeling van de kristalgroeisnelheid moeten kunnen bereiken. Door de relatie tussen verwarmingsvermogen en kristalgroeisnelheid te analyseren en experimenteel te verifiëren, kan een redelijke strategie voor het beheersen van het verwarmingsvermogen worden bepaald om een ​​nauwkeurige controle van de kristalgroeisnelheid te bereiken. Tijdens de werking van SiC-apparatuur voor monokristalgroei heeft de stabiliteit van het verwarmingsvermogen een belangrijke invloed op de kwaliteit van de kristalgroei. Stabiele en betrouwbare verwarmingsapparatuur en regelsystemen zijn vereist om de stabiliteit en betrouwbaarheid van het verwarmingsvermogen te garanderen. De verwarmingsapparatuur moet regelmatig worden onderhouden en gerepareerd om fouten en problemen in de verwarmingsapparatuur tijdig te ontdekken en op te lossen om de normale werking van de apparatuur en de stabiele output van verwarmingsvermogen te garanderen. Door het verwarmingsvermogendistributieschema rationeel te ontwerpen, rekening houdend met de relatie tussen verwarmingsvermogen en temperatuurverdeling, nauwkeurige controle van het verwarmingsvermogen te realiseren en de stabiliteit en betrouwbaarheid van het verwarmingsvermogen te garanderen, kunnen de groei-efficiëntie en kristalkwaliteit van SiC-apparatuur voor monokristalgroei worden verbeterd. effectief verbeterd, en de vooruitgang en ontwikkeling van de SiC-technologie voor monokristallijne groei kan worden bevorderd.

3.2 Ontwerp en afstelling van het temperatuurregelsysteem

Voordat het temperatuurregelsysteem wordt ontworpen, is numerieke simulatieanalyse vereist om de warmteoverdrachtsprocessen zoals warmtegeleiding, convectie en straling tijdens de groei van SiC-monokristallen te simuleren en te berekenen om de verdeling van het temperatuurveld te verkrijgen. Door middel van experimentele verificatie worden de numerieke simulatieresultaten gecorrigeerd en aangepast om de ontwerpparameters van het temperatuurregelsysteem te bepalen, zoals verwarmingsvermogen, indeling van het verwarmingsgebied en de locatie van de temperatuursensor. Tijdens de groei van SiC-eenkristallen wordt meestal weerstandsverwarming of inductieverwarming gebruikt voor verwarming. Het is noodzakelijk om een ​​geschikt verwarmingselement te selecteren. Voor weerstandsverwarming kan als verwarmingselement een weerstandsdraad op hoge temperatuur of een weerstandsoven worden geselecteerd; voor inductieverwarming moet een geschikte inductieverwarmingsspiraal of inductieverwarmingsplaat worden geselecteerd. Bij het selecteren van een verwarmingselement moet rekening worden gehouden met factoren zoals verwarmingsefficiëntie, verwarmingsuniformiteit, hoge temperatuurbestendigheid en de impact op de stabiliteit van het thermische veld. Bij het ontwerp van het temperatuurregelsysteem moet niet alleen rekening worden gehouden met de stabiliteit en uniformiteit van de temperatuur, maar ook met de nauwkeurigheid van de temperatuuraanpassing en de reactiesnelheid. Het is noodzakelijk om een ​​redelijke strategie voor temperatuurregeling te ontwerpen, zoals PID-regeling, fuzzy-regeling of neurale netwerkregeling, om een ​​nauwkeurige regeling en aanpassing van de temperatuur te bereiken. Het is ook noodzakelijk om een ​​geschikt temperatuuraanpassingsschema te ontwerpen, zoals meerpuntskoppelingsaanpassing, lokale compensatieaanpassing of feedbackaanpassing, om een ​​uniforme en stabiele temperatuurverdeling van het gehele thermische veld te garanderen. Om de nauwkeurige monitoring en controle van de temperatuur tijdens de groei van SiC-eenkristallen te realiseren, is het noodzakelijk om geavanceerde temperatuursensortechnologie en controllerapparatuur toe te passen. U kunt kiezen voor zeer nauwkeurige temperatuursensoren zoals thermokoppels, thermische weerstanden of infraroodthermometers om de temperatuurveranderingen in elk gebied in realtime te bewaken, en u kunt kiezen voor hoogwaardige temperatuurregelaarapparatuur, zoals een PLC-controller (zie afbeelding 1) of een DSP-controller , voor een nauwkeurige controle en aanpassing van de verwarmingselementen. Door de ontwerpparameters te bepalen op basis van numerieke simulatie en experimentele verificatiemethoden, door de juiste verwarmingsmethoden en verwarmingselementen te selecteren, redelijke strategieën en aanpassingsschema's voor de temperatuur te ontwerpen, en door gebruik te maken van geavanceerde temperatuursensortechnologie en regelapparatuur, kunt u effectief nauwkeurige controle en aanpassing bereiken van de temperatuur tijdens de groei van SiC-enkele kristallen, en het verbeteren van de kwaliteit en opbrengst van enkele kristallen.

3.3 Computationele vloeistofdynamica-simulatie

Het opzetten van een nauwkeurig model is de basis voor computationele vloeistofdynamica (CFD)-simulatie. SiC-apparatuur voor eenkristalgroei bestaat meestal uit een grafietoven, een inductieverwarmingssysteem, een smeltkroes, een beschermend gas, enz. Bij het modelleringsproces moet rekening worden gehouden met de complexiteit van de ovenstructuur en de kenmerken van de verwarmingsmethode. en de invloed van materiaalbeweging op het stromingsveld. Driedimensionale modellering wordt gebruikt om de geometrische vormen van de oven, smeltkroes, inductiespoel, enz. nauwkeurig te reconstrueren en rekening te houden met de thermische fysieke parameters en randvoorwaarden van het materiaal, zoals verwarmingsvermogen en gasstroomsnelheid.

Bij CFD-simulatie omvatten veelgebruikte numerieke methoden de eindige volumemethode (FVM) en de eindige elementenmethode (FEM). Met het oog op de kenmerken van SiC-apparatuur voor monokristalgroei wordt de FVM-methode over het algemeen gebruikt om de vloeistofstroom- en warmtegeleidingsvergelijkingen op te lossen. In termen van meshing is het noodzakelijk om aandacht te besteden aan het onderverdelen van belangrijke gebieden, zoals het oppervlak van de grafietkroes en het groeigebied van een enkel kristal, om de nauwkeurigheid van de simulatieresultaten te garanderen. Het groeiproces van SiC-monokristal omvat een verscheidenheid aan fysieke processen, zoals warmtegeleiding, stralingswarmteoverdracht, vloeistofbeweging, enz. Afhankelijk van de feitelijke situatie worden geschikte fysieke modellen en randvoorwaarden geselecteerd voor simulatie. Als we bijvoorbeeld rekening houden met de warmtegeleiding en stralingswarmteoverdracht tussen de grafietkroes en het SiC-monokristal, moeten er geschikte grensvoorwaarden voor warmteoverdracht worden ingesteld; gezien de invloed van inductieverwarming op de vloeistofbeweging, moeten de randvoorwaarden van inductieverwarmingsvermogen in aanmerking worden genomen.

Vóór CFD-simulatie is het noodzakelijk om de simulatietijdstap, convergentiecriteria en andere parameters in te stellen en berekeningen uit te voeren. Tijdens het simulatieproces is het noodzakelijk om de parameters voortdurend aan te passen om de stabiliteit en convergentie van de simulatieresultaten te garanderen, en de simulatieresultaten na te bewerken, zoals temperatuurveldverdeling, vloeistofsnelheidsverdeling, enz., voor verdere analyse en optimalisatie . De nauwkeurigheid van de simulatieresultaten wordt geverifieerd door vergelijking met de temperatuurveldverdeling, de kwaliteit van het monokristal en andere gegevens in het feitelijke groeiproces. Volgens de simulatieresultaten zijn de ovenstructuur, de verwarmingsmethode en andere aspecten geoptimaliseerd om de groei-efficiëntie en de monokristallijne kwaliteit van SiC-monokristalgroeiapparatuur te verbeteren. CFD-simulatie van thermisch veldontwerp van SiC-apparatuur voor monokristalgroei omvat het opstellen van nauwkeurige modellen, het selecteren van geschikte numerieke methoden en meshing, het bepalen van fysieke modellen en randvoorwaarden, het instellen en berekenen van simulatieparameters, en het verifiëren en optimaliseren van simulatieresultaten. Wetenschappelijke en redelijke CFD-simulatie kan belangrijke referenties opleveren voor het ontwerp en de optimalisatie van SiC-apparatuur voor eenkristalgroei, en de groei-efficiëntie en de kwaliteit van eenkristal verbeteren.

3.4 Ontwerp van de ovenstructuur

Gezien het feit dat de groei van SiC-eenkristallen hoge temperaturen, chemische inertheid en goede thermische geleidbaarheid vereist, moet het materiaal van het ovenlichaam worden gekozen uit materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen en corrosie, zoals siliciumcarbide-keramiek (SiC), grafiet, enz. SiC-materiaal heeft uitstekende stabiliteit bij hoge temperaturen en chemische inertie, en is een ideaal materiaal voor het ovenlichaam. Het binnenwandoppervlak van het ovenlichaam moet glad en uniform zijn om de thermische straling en de weerstand tegen warmteoverdracht te verminderen en de stabiliteit van het thermische veld te verbeteren. De ovenstructuur moet zoveel mogelijk worden vereenvoudigd, met minder structurele lagen om thermische spanningsconcentratie en overmatige temperatuurgradiënt te voorkomen. Meestal wordt een cilindrische of rechthoekige structuur gebruikt om een ​​uniforme verdeling en stabiliteit van het thermische veld te vergemakkelijken. Hulpverwarmingselementen zoals verwarmingsspiralen en weerstanden worden in de oven geplaatst om de temperatuuruniformiteit en thermische veldstabiliteit te verbeteren en de kwaliteit en efficiëntie van de groei van eenkristal te garanderen. Veel voorkomende verwarmingsmethoden zijn onder meer inductieverwarming, weerstandsverwarming en stralingsverwarming. In SiC-apparatuur voor monokristalgroei wordt vaak een combinatie van inductieverwarming en weerstandsverwarming gebruikt. Inductieverwarming wordt voornamelijk gebruikt voor snelle verwarming om de temperatuuruniformiteit en thermische veldstabiliteit te verbeteren; weerstandsverwarming wordt gebruikt om een ​​constante temperatuur en temperatuurgradiënt te handhaven om de stabiliteit van het groeiproces te behouden. Stralingsverwarming kan de temperatuuruniformiteit in de oven verbeteren, maar wordt meestal gebruikt als aanvullende verwarmingsmethode.

4. Conclusie

Met de groeiende vraag naar SiC-materialen in vermogenselektronica, opto-elektronica en andere gebieden zal de ontwikkeling van SiC-technologie voor monokristallijne groei een sleutelgebied van wetenschappelijke en technologische innovatie worden. Als kern van SiC-apparatuur voor monokristalgroei zal het ontwerp van thermische velden uitgebreide aandacht en diepgaand onderzoek blijven krijgen. Toekomstige ontwikkelingsrichtingen omvatten het verder optimaliseren van de thermische veldstructuur en het controlesysteem om de productie-efficiëntie en de kwaliteit van één kristal te verbeteren; het onderzoeken van nieuwe materialen en verwerkingstechnologie om de stabiliteit en duurzaamheid van apparatuur te verbeteren; en het integreren van intelligente technologie om automatische controle en bewaking op afstand van apparatuur te bereiken.