Návrh tepelného poľa pre rast monokryštálov SiC

1 Význam návrhu tepelného poľa v zariadení na rast monokryštálov SiC

SiC monokryštál je dôležitým polovodičovým materiálom, ktorý je široko používaný vo výkonovej elektronike, optoelektronike a vysokoteplotných aplikáciách. Návrh tepelného poľa priamo ovplyvňuje kryštalizačné správanie, rovnomernosť a kontrolu nečistôt kryštálu a má rozhodujúci vplyv na výkon a výstup zariadenia na rast monokryštálov SiC. Kvalita monokryštálu SiC priamo ovplyvňuje jeho výkon a spoľahlivosť pri výrobe zariadení. Racionálnym návrhom tepelného poľa možno dosiahnuť rovnomernosť rozloženia teploty počas rastu kryštálov, možno sa vyhnúť tepelnému namáhaniu a tepelnému gradientu v kryštáli, čím sa zníži rýchlosť tvorby defektov kryštálu. Optimalizovaný dizajn tepelného poľa môže tiež zlepšiť kvalitu povrchu kryštálu a rýchlosť kryštalizácie, ďalej zlepšiť štrukturálnu integritu a chemickú čistotu kryštálu a zabezpečiť, aby vyrastený monokryštál SiC mal dobré elektrické a optické vlastnosti.

Rýchlosť rastu monokryštálu SiC priamo ovplyvňuje výrobné náklady a kapacitu. Racionálnym návrhom tepelného poľa možno optimalizovať teplotný gradient a distribúciu tepelného toku počas procesu rastu kryštálu a zlepšiť rýchlosť rastu kryštálu a efektívnu rýchlosť využitia oblasti rastu. Návrh tepelného poľa môže tiež znížiť straty energie a odpad materiálu počas procesu rastu, znížiť výrobné náklady a zlepšiť efektivitu výroby, čím sa zvýši produkcia monokryštálov SiC. Zariadenia na rast monokryštálov SiC zvyčajne vyžadujú veľké množstvo systému dodávky energie a chladenia a racionálne navrhnutie tepelného poľa môže znížiť spotrebu energie, znížiť spotrebu energie a emisie do životného prostredia. Optimalizáciou štruktúry tepelného poľa a dráhy tepelného toku je možné maximalizovať energiu a recyklovať odpadové teplo na zlepšenie energetickej účinnosti a zníženie negatívnych dopadov na životné prostredie.

2 Ťažkosti pri návrhu tepelného poľa zariadenia na rast monokryštálov SiC

2.1 Nerovnomernosť tepelnej vodivosti materiálov

SiC je veľmi dôležitý polovodičový materiál. Jeho tepelná vodivosť má vlastnosti vysokej teplotnej stability a vynikajúcej tepelnej vodivosti, ale jeho rozloženie tepelnej vodivosti má určitú nerovnomernosť. V procese rastu monokryštálov SiC, aby sa zabezpečila rovnomernosť a kvalita rastu kryštálov, je potrebné presne kontrolovať tepelné pole. Nerovnomernosť tepelnej vodivosti SiC materiálov povedie k nestabilite rozloženia tepelného poľa, čo následne ovplyvňuje rovnomernosť a kvalitu rastu kryštálov. Zariadenie na rast monokryštálov SiC zvyčajne používa metódu fyzikálnej depozície z pár (PVT) alebo metódu transportu plynnej fázy, ktorá si vyžaduje udržiavanie prostredia s vysokou teplotou v rastovej komore a realizáciu rastu kryštálov presnou kontrolou rozloženia teploty. Nerovnomernosť tepelnej vodivosti materiálov SiC povedie k nerovnomernému rozloženiu teploty v rastovej komore, čím sa ovplyvní proces rastu kryštálov, čo môže spôsobiť defekty kryštálov alebo nerovnomernú kvalitu kryštálov. Počas rastu monokryštálov SiC je potrebné vykonať trojrozmernú dynamickú simuláciu a analýzu tepelného poľa, aby sme lepšie pochopili meniaci sa zákon rozloženia teplôt a optimalizovali návrh na základe výsledkov simulácie. Vzhľadom na nerovnomernosť tepelnej vodivosti SiC materiálov môžu byť tieto simulačné analýzy ovplyvnené určitým stupňom chyby, čo ovplyvňuje presné riadenie a návrh optimalizácie tepelného poľa.

2.2 Ťažkosti s reguláciou konvekcie vo vnútri zariadenia

Počas rastu monokryštálov SiC je potrebné udržiavať prísnu kontrolu teploty, aby sa zabezpečila rovnomernosť a čistota kryštálov. Fenomén konvekcie vo vnútri zariadenia môže spôsobiť nerovnomernosť teplotného poľa, a tým ovplyvniť kvalitu kryštálov. Konvekcia zvyčajne vytvára teplotný gradient, čo vedie k nerovnomernej štruktúre na povrchu kryštálu, čo následne ovplyvňuje výkon a aplikáciu kryštálov. Dobrá regulácia konvekcie môže upraviť rýchlosť a smer prúdenia plynu, čo pomáha znižovať nerovnomernosť povrchu kryštálu a zlepšovať účinnosť rastu. Komplexná geometrická štruktúra a proces dynamiky plynu vo vnútri zariadenia veľmi sťažujú presné riadenie prúdenia. Vysokoteplotné prostredie povedie k zníženiu účinnosti prenosu tepla a zvýšeniu tvorby teplotného gradientu vo vnútri zariadenia, čím sa ovplyvní rovnomernosť a kvalita rastu kryštálov. Niektoré korozívne plyny môžu ovplyvniť materiály a prvky prenosu tepla vo vnútri zariadenia, a tým ovplyvniť stabilitu a regulovateľnosť konvekcie. Zariadenie na rast monokryštálov SiC má zvyčajne zložitú štruktúru a viaceré mechanizmy prenosu tepla, ako je prenos tepla sálaním, prenos tepla konvekciou a vedenie tepla. Tieto mechanizmy prenosu tepla sú navzájom prepojené, čím je regulácia konvekcie komplikovanejšia, najmä ak je vo vnútri zariadenia viacfázové prúdenie a procesy zmeny fázy, je ťažšie presne modelovať a riadiť konvekciu.

3 Kľúčové body návrhu tepelného poľa zariadenia na rast monokryštálov SiC

3.1 Rozdelenie a regulácia vykurovacieho výkonu

Pri návrhu tepelného poľa by sa režim distribúcie a stratégia riadenia vykurovacieho výkonu mala určiť podľa parametrov procesu a požiadaviek na rast kryštálov. Zariadenia na rast monokryštálov SiC používajú na ohrev grafitové vykurovacie tyče alebo indukčné ohrievače. Rovnomernosť a stabilitu tepelného poľa je možné dosiahnuť návrhom rozloženia a rozvodu výkonu ohrievača. Počas rastu monokryštálov SiC má rovnomernosť teploty dôležitý vplyv na kvalitu kryštálu. Rozloženie vykurovacieho výkonu by malo byť schopné zabezpečiť rovnomernosť teploty v tepelnom poli. Pomocou numerickej simulácie a experimentálneho overenia je možné určiť vzťah medzi vykurovacím výkonom a distribúciou teploty a následne optimalizovať schému distribúcie vykurovacieho výkonu, aby bolo rozdelenie teploty v tepelnom poli rovnomernejšie a stabilnejšie. Počas rastu monokryštálov SiC by mala byť regulácia vykurovacieho výkonu schopná dosiahnuť presnú reguláciu a stabilnú reguláciu teploty. Automatické riadiace algoritmy, ako je PID regulátor alebo fuzzy regulátor, možno použiť na dosiahnutie uzavretej regulácie vykurovacieho výkonu na základe údajov o teplote v reálnom čase, ktoré spätne odovzdávajú teplotné senzory, aby sa zabezpečila stabilita a rovnomernosť teploty v tepelnom poli. Počas rastu monokryštálov SiC bude veľkosť vykurovacieho výkonu priamo ovplyvňovať rýchlosť rastu kryštálov. Riadenie vykurovacieho výkonu by malo byť schopné dosiahnuť presnú reguláciu rýchlosti rastu kryštálov. Analýzou a experimentálnym overením vzťahu medzi vykurovacím výkonom a rýchlosťou rastu kryštálov možno určiť primeranú stratégiu riadenia vykurovacieho výkonu na dosiahnutie presnej kontroly rýchlosti rastu kryštálov. Počas prevádzky zariadenia na rast monokryštálov SiC má stabilita vykurovacieho výkonu dôležitý vplyv na kvalitu rastu kryštálov. Na zabezpečenie stability a spoľahlivosti vykurovacieho výkonu sú potrebné stabilné a spoľahlivé vykurovacie zariadenia a riadiace systémy. Vykurovacie zariadenie je potrebné pravidelne udržiavať a obsluhovať, aby sa včas odhalili a vyriešili poruchy a problémy vykurovacieho zariadenia, aby sa zabezpečila normálna prevádzka zariadenia a stabilný výkon vykurovacieho výkonu. Racionálnym návrhom schémy distribúcie vykurovacieho výkonu, zvážením vzťahu medzi vykurovacím výkonom a distribúciou teploty, realizovaním presného riadenia vykurovacieho výkonu a zabezpečením stability a spoľahlivosti vykurovacieho výkonu je možné dosiahnuť účinnosť rastu a kvalitu kryštálov zariadenia na rast monokryštálov SiC. efektívne zlepšiť a môže sa podporiť pokrok a vývoj technológie rastu monokryštálov SiC.

3.2 Návrh a nastavenie systému regulácie teploty

Pred návrhom systému riadenia teploty je potrebná numerická simulačná analýza na simuláciu a výpočet procesov prenosu tepla, ako je vedenie tepla, konvekcia a žiarenie počas rastu monokryštálov SiC, aby sa získalo rozloženie teplotného poľa. Prostredníctvom experimentálneho overenia sa výsledky numerickej simulácie korigujú a upravujú tak, aby sa určili konštrukčné parametre systému regulácie teploty, ako je vykurovací výkon, rozloženie vykurovacej oblasti a umiestnenie snímača teploty. Počas rastu monokryštálov SiC sa na ohrev zvyčajne používa odporový ohrev alebo indukčný ohrev. Je potrebné zvoliť vhodné vykurovacie teleso. Pre odporový ohrev možno ako vykurovací článok zvoliť vysokoteplotný odporový drôt alebo odporovú pec; pre indukčný ohrev je potrebné zvoliť vhodnú indukčnú ohrievaciu špirálu alebo indukčnú ohrievaciu platňu. Pri výbere vykurovacieho telesa je potrebné zvážiť faktory, ako je účinnosť vykurovania, rovnomernosť vykurovania, odolnosť voči vysokej teplote a vplyv na stabilitu tepelného poľa. Konštrukcia systému regulácie teploty musí brať do úvahy nielen stabilitu a rovnomernosť teploty, ale aj presnosť nastavenia teploty a rýchlosť odozvy. Je potrebné navrhnúť rozumnú stratégiu regulácie teploty, ako je PID regulácia, fuzzy regulácia alebo regulácia neurónovou sieťou, aby sa dosiahla presná regulácia a úprava teploty. Je tiež potrebné navrhnúť vhodnú schému nastavenia teploty, ako je nastavenie viacbodového prepojenia, nastavenie lokálnej kompenzácie alebo nastavenie spätnej väzby, aby sa zabezpečilo rovnomerné a stabilné rozloženie teploty celého tepelného poľa. Aby bolo možné realizovať presné monitorovanie a riadenie teploty počas rastu monokryštálov SiC, je potrebné prijať pokročilú technológiu snímania teploty a riadiace zariadenie. Môžete si vybrať vysoko presné teplotné senzory, ako sú termočlánky, tepelné odpory alebo infračervené teplomery na monitorovanie zmien teploty v každej oblasti v reálnom čase, a vybrať si vysokovýkonné zariadenie na reguláciu teploty, ako je PLC regulátor (pozri obrázok 1) alebo DSP regulátor. , aby sa dosiahlo presné ovládanie a nastavenie vykurovacích telies. Určením konštrukčných parametrov na základe numerickej simulácie a experimentálnych overovacích metód, výberom vhodných metód vykurovania a vykurovacích prvkov, navrhnutím rozumných stratégií regulácie teploty a schém nastavenia a použitím pokročilej technológie snímania teploty a zariadením regulátora môžete efektívne dosiahnuť presné riadenie a nastavenie teplota počas rastu monokryštálov SiC a zlepšiť kvalitu a výťažok monokryštálov.

3.3 Výpočtová simulácia dynamiky tekutín

Vytvorenie presného modelu je základom pre výpočtovú simuláciu dynamiky tekutín (CFD). Zariadenie na rast monokryštálov SiC sa zvyčajne skladá z grafitovej pece, indukčného vykurovacieho systému, téglika, ochranného plynu atď. V procese modelovania je potrebné zvážiť zložitosť konštrukcie pece, charakteristiky spôsobu ohrevu a vplyv pohybu materiálu na pole prúdenia. Trojrozmerné modelovanie sa používa na presnú rekonštrukciu geometrických tvarov pece, téglika, indukčnej cievky atď. a zohľadnenie tepelno-fyzikálnych parametrov a okrajových podmienok materiálu, ako je vykurovací výkon a prietok plynu.

V CFD simulácii bežne používané numerické metódy zahŕňajú metódu konečných objemov (FVM) a metódu konečných prvkov (FEM). Vzhľadom na charakteristiky zariadenia na rast monokryštálov SiC sa metóda FVM vo všeobecnosti používa na riešenie rovníc prúdenia tekutiny a vedenia tepla. Pokiaľ ide o sieťovanie, je potrebné venovať pozornosť rozdeleniu kľúčových oblastí, ako je povrch grafitového téglika a oblasť rastu monokryštálov, aby sa zabezpečila presnosť výsledkov simulácie. Proces rastu monokryštálu SiC zahŕňa rôzne fyzikálne procesy, ako je vedenie tepla, prenos tepla sálaním, pohyb tekutiny atď. Podľa aktuálnej situácie sa na simuláciu vyberú vhodné fyzikálne modely a okrajové podmienky. Napríklad, berúc do úvahy prenos tepla vedením a sálaním medzi grafitovým téglikom a monokryštálom SiC, je potrebné nastaviť vhodné okrajové podmienky prenosu tepla; vzhľadom na vplyv indukčného ohrevu na pohyb tekutiny je potrebné zvážiť okrajové podmienky indukčného ohrevu.

Pred CFD simuláciou je potrebné nastaviť časový krok simulácie, konvergenčné kritériá a ďalšie parametre a vykonať výpočty. Počas procesu simulácie je potrebné neustále upravovať parametre, aby sa zabezpečila stabilita a konvergencia výsledkov simulácie, a následne spracovať výsledky simulácie, ako je distribúcia teplotného poľa, distribúcia rýchlosti tekutiny atď., pre ďalšiu analýzu a optimalizáciu. . Presnosť výsledkov simulácie sa overuje porovnaním s distribúciou teplotného poľa, kvalitou monokryštálu a inými údajmi v skutočnom procese rastu. Podľa výsledkov simulácie sú štruktúra pece, spôsob ohrevu a ďalšie aspekty optimalizované na zlepšenie účinnosti rastu a kvality monokryštálov SiC rastového zariadenia. CFD simulácia návrhu tepelného poľa zariadenia na rast monokryštálov SiC zahŕňa vytvorenie presných modelov, výber vhodných numerických metód a sieťovania, určenie fyzikálnych modelov a okrajových podmienok, nastavenie a výpočet parametrov simulácie a overenie a optimalizáciu výsledkov simulácie. Vedecká a rozumná CFD simulácia môže poskytnúť dôležité referencie pre návrh a optimalizáciu zariadení na rast monokryštálov SiC a zlepšiť účinnosť rastu a kvalitu monokryštálu.

3.4 Návrh konštrukcie pece

Vzhľadom na to, že rast monokryštálov SiC vyžaduje vysokú teplotu, chemickú inertnosť a dobrú tepelnú vodivosť, materiál telesa pece by mal byť vybraný z materiálov odolných voči vysokej teplote a korózii, ako je keramika z karbidu kremíka (SiC), grafit atď. Materiál SiC má vynikajúce vysoká teplotná stabilita a chemická inertnosť a je ideálnym materiálom telesa pece. Povrch vnútornej steny telesa pece by mal byť hladký a rovnomerný, aby sa znížil odpor tepelného žiarenia a prenosu tepla a zlepšila sa stabilita tepelného poľa. Štruktúra pece by mala byť čo najviac zjednodušená s menším počtom konštrukčných vrstiev, aby sa zabránilo koncentrácii tepelného napätia a nadmernému teplotnému gradientu. Na uľahčenie rovnomerného rozloženia a stability tepelného poľa sa zvyčajne používa valcová alebo obdĺžniková konštrukcia. Pomocné vykurovacie prvky, ako sú vykurovacie špirály a odpory, sú umiestnené vo vnútri pece, aby sa zlepšila rovnomernosť teploty a stabilita tepelného poľa a zabezpečila sa kvalita a účinnosť rastu jednotlivých kryštálov. Bežné spôsoby ohrevu zahŕňajú indukčný ohrev, odporový ohrev a radiačný ohrev. V zariadeniach na rast monokryštálov SiC sa často používa kombinácia indukčného ohrevu a odporového ohrevu. Indukčný ohrev sa používa hlavne na rýchle zahrievanie na zlepšenie rovnomernosti teploty a stability tepelného poľa; odporový ohrev slúži na udržanie konštantnej teploty a teplotného gradientu na udržanie stability rastového procesu. Radiačný ohrev môže zlepšiť rovnomernosť teploty vo vnútri pece, ale zvyčajne sa používa ako pomocný spôsob ohrevu.

4. Záver

S rastúcim dopytom po materiáloch SiC vo výkonovej elektronike, optoelektronike a iných oblastiach sa vývoj technológie rastu monokryštálov SiC stane kľúčovou oblasťou vedeckých a technologických inovácií. Ako jadro zariadenia na rast monokryštálov SiC bude dizajnu tepelného poľa naďalej venovaná rozsiahla pozornosť a hĺbkový výskum. Budúce smery vývoja zahŕňajú ďalšiu optimalizáciu štruktúry tepelného poľa a riadiaceho systému s cieľom zlepšiť efektivitu výroby a kvalitu monokryštálov; skúmanie nových materiálov a technológií spracovania na zlepšenie stability a životnosti zariadenia; a integrácia inteligentnej technológie na dosiahnutie automatického ovládania a vzdialeného monitorovania zariadení.