Lämpökenttäsuunnittelu piikarbidin yksikiteiden kasvua varten

1 Lämpökentän suunnittelun merkitys SiC-yksikidekasvatuslaitteissa

SiC yksikide on tärkeä puolijohdemateriaali, jota käytetään laajalti tehoelektroniikassa, optoelektroniikassa ja korkean lämpötilan sovelluksissa. Lämpökentän suunnittelu vaikuttaa suoraan kiteen kiteytymiskäyttäytymiseen, tasaisuuteen ja epäpuhtauksien hallintaan, ja sillä on ratkaiseva vaikutus SiC-yksikidekasvatuslaitteiden suorituskykyyn ja tehoon. SiC-yksikiteen laatu vaikuttaa suoraan sen suorituskykyyn ja luotettavuuteen laitevalmistuksessa. Lämpökentän rationaalisella suunnittelulla voidaan saavuttaa lämpötilajakauman tasaisuus kiteen kasvun aikana, lämpöjännitys ja lämpögradientti kiteessä voidaan välttää, mikä vähentää kidevikojen muodostumisnopeutta. Optimoitu lämpökentän suunnittelu voi myös parantaa kidepinnan laatua ja kiteytysnopeutta, parantaa entisestään kiteen rakenteellista eheyttä ja kemiallista puhtautta ja varmistaa, että kasvatetulla SiC-yksikiteellä on hyvät sähköiset ja optiset ominaisuudet.

SiC-yksikiteiden kasvunopeus vaikuttaa suoraan tuotantokustannuksiin ja kapasiteettiin. Lämpökentän rationaalisella suunnittelulla voidaan optimoida lämpötilagradientti ja lämpövirtauksen jakautuminen kiteen kasvuprosessin aikana sekä parantaa kiteen kasvunopeutta ja kasvualueen tehollista käyttöastetta. Lämpökentän suunnittelu voi myös vähentää energiahävikkiä ja materiaalihukkaa kasvuprosessin aikana, alentaa tuotantokustannuksia ja parantaa tuotannon tehokkuutta, mikä lisää piikarbidin yksittäiskiteiden tuotantoa. SiC-yksikidekasvatuslaitteet vaativat yleensä suuren määrän energiansyöttö- ja jäähdytysjärjestelmää, ja lämpökentän järkevällä suunnittelulla voidaan vähentää energiankulutusta, energiankulutusta ja ympäristöpäästöjä. Optimoimalla lämpökentän rakenne ja lämmönvirtausreitti voidaan maksimoida energiaa ja kierrättää hukkalämpöä energiatehokkuuden parantamiseksi ja ympäristövaikutusten vähentämiseksi.

2 Vaikeudet piikarbidin yksikidekasvatuslaitteiden lämpökentän suunnittelussa

2.1 Materiaalien lämmönjohtavuuden epätasaisuus

SiC on erittäin tärkeä puolijohdemateriaali. Sen lämmönjohtavuudella on korkean lämpötilan stabiilisuus ja erinomainen lämmönjohtavuus, mutta sen lämmönjohtavuusjakaumassa on tietty epätasaisuus. Piikarbidin yksikiteiden kasvuprosessissa, jotta voidaan varmistaa kiteen kasvun tasaisuus ja laatu, lämpökenttää on säädettävä tarkasti. SiC-materiaalien lämmönjohtavuuden epätasaisuus johtaa lämpökentän jakautumisen epävakauteen, mikä puolestaan ​​vaikuttaa kiteen kasvun tasaisuuteen ja laatuun. SiC-yksikidekasvatuslaitteet käyttävät yleensä fyysistä höyrypinnoitusmenetelmää (PVT) tai kaasufaasisiirtomenetelmää, mikä edellyttää korkean lämpötilan ylläpitämistä kasvukammiossa ja kiteiden kasvun toteuttamista säätelemällä tarkasti lämpötilan jakautumista. SiC-materiaalien lämmönjohtavuuden epätasaisuus johtaa epätasaiseen lämpötilan jakautumiseen kasvukammiossa, mikä vaikuttaa kiteen kasvuprosessiin, mikä voi aiheuttaa kidevirheitä tai epätasaista kiteen laatua. SiC-yksikiteiden kasvun aikana on tarpeen suorittaa kolmiulotteinen dynaaminen simulointi ja lämpökentän analyysi, jotta voidaan paremmin ymmärtää lämpötilajakauman muuttuva laki ja optimoida suunnittelu simulaatiotulosten perusteella. Piikarbidimateriaalien lämmönjohtavuuden epäyhtenäisyydestä johtuen näihin simulaatioanalyyseihin voi vaikuttaa tietty virheaste, mikä vaikuttaa lämpökentän tarkkaan ohjaus- ja optimointisuunnitteluun.

2.2 Konvektiosäädön vaikeus laitteen sisällä

Piikarbidin yksittäiskiteiden kasvun aikana tiukkaa lämpötilan valvontaa on ylläpidettävä kiteiden tasaisuuden ja puhtauden varmistamiseksi. Konvektioilmiö laitteen sisällä voi aiheuttaa lämpötilakentän epätasaisuutta ja vaikuttaa siten kiteiden laatuun. Konvektio muodostaa yleensä lämpötilagradientin, mikä johtaa epäyhtenäiseen rakenteeseen kiteen pinnalla, mikä puolestaan ​​vaikuttaa kiteiden suorituskykyyn ja käyttöön. Hyvä konvektiosäätö voi säätää kaasun virtauksen nopeutta ja suuntaa, mikä auttaa vähentämään kiteen pinnan epätasaisuutta ja parantamaan kasvutehoa. Monimutkainen geometrinen rakenne ja kaasudynamiikka laitteiston sisällä tekevät konvektion tarkan ohjauksen erittäin vaikeaksi. Korkean lämpötilan ympäristö johtaa lämmönsiirtotehokkuuden laskuun ja lisää lämpötilagradientin muodostumista laitteiston sisällä, mikä vaikuttaa kiteen kasvun tasaisuuteen ja laatuun. Jotkut syövyttävät kaasut voivat vaikuttaa laitteen sisällä oleviin materiaaleihin ja lämmönsiirtoelementteihin ja siten vaikuttaa konvektion vakauteen ja hallittavuuteen. SiC-yksikidekasvatuslaitteistolla on yleensä monimutkainen rakenne ja useita lämmönsiirtomekanismeja, kuten säteilylämmönsiirto, konvektiolämmönsiirto ja lämmönjohtavuus. Nämä lämmönsiirtomekanismit on kytketty toisiinsa, mikä tekee konvektion säätelystä monimutkaisempaa, varsinkin kun laitteiston sisällä on monivaiheisia virtaus- ja vaihemuutosprosesseja, konvektiota on vaikeampi mallintaa ja ohjata tarkasti.

3 SiC-yksikidekasvatuslaitteiden lämpökentän suunnittelun avainkohdat

3.1 Lämmitystehon jakelu ja ohjaus

Lämpökentän suunnittelussa lämmitystehon jakautumistila ja ohjausstrategia tulisi määrittää prosessiparametrien ja kiteen kasvun vaatimusten mukaisesti. SiC-yksikidekasvatuslaitteet käyttävät lämmitykseen grafiittikuumennussauvoja tai induktiolämmittimiä. Lämpökentän tasaisuus ja vakaus voidaan saavuttaa suunnittelemalla kiukaan sijoittelua ja tehonjakoa. Piikarbidin yksittäiskiteiden kasvun aikana lämpötilan tasaisuus vaikuttaa merkittävästi kiteen laatuun. Lämmitystehon jakautumisen tulee kyetä varmistamaan lämpötilan tasaisuus lämpökentässä. Numeerisen simulaation ja kokeellisen todentamisen avulla voidaan määrittää lämmitystehon ja lämpötilan jakautumisen välinen suhde, minkä jälkeen lämmitystehon jakautumiskaavio voidaan optimoida, jotta lämpötilan jakautuminen lämpökentässä on tasaisempi ja vakaampi. SiC-yksikiteiden kasvun aikana lämmitystehon säätelyn tulisi kyetä saavuttamaan tarkka säätö ja vakaa lämpötilan säätö. Automaattisia säätöalgoritmeja, kuten PID-säädintä tai sumeaa säädintä, voidaan käyttää lämmitystehon suljetun kierron säätöön, joka perustuu lämpötila-antureiden palauttamiin reaaliaikaisiin lämpötilatietoihin, jotta varmistetaan lämpötilan stabiilisuus ja tasaisuus lämpökentässä. Piikarbidin yksittäiskiteiden kasvun aikana lämmitystehon koko vaikuttaa suoraan kiteen kasvunopeuteen. Lämmitystehon ohjauksella tulisi kyetä saavuttamaan tarkka kiteen kasvunopeuden säätö. Analysoimalla ja kokeellisesti todentamalla lämmitystehon ja kiteen kasvunopeuden välinen suhde voidaan määrittää kohtuullinen lämmitystehon säätöstrategia kiteen kasvunopeuden tarkan säätelyn saavuttamiseksi. SiC-yksikidekasvatuslaitteiden käytön aikana lämmitystehon stabiiliudella on tärkeä vaikutus kiteen kasvun laatuun. Lämpötehon vakauden ja luotettavuuden varmistamiseksi tarvitaan vakaat ja luotettavat lämmityslaitteet ja ohjausjärjestelmät. Lämmityslaitteita on huollettava säännöllisesti, jotta lämmityslaitteiden viat ja ongelmat löydetään ja ratkaistaan ​​ajoissa, jotta varmistetaan laitteiden normaali toiminta ja vakaa lämmitystehon tuotto. Suunnittelemalla rationaalisesti lämmitystehon jakelukaavio, ottamalla huomioon lämmitystehon ja lämpötilan jakautumisen välinen suhde, toteuttamalla tarkka lämmitystehon säätö ja varmistamalla lämmitystehon stabiilisuus ja luotettavuus, SiC-yksikidekasvatuslaitteiden kasvutehokkuus ja kiteiden laatu voidaan parantaa. Parannettu tehokkaasti, ja piikarbidin yksikidekasvatusteknologian edistymistä ja kehitystä voidaan edistää.

3.2 Lämpötilansäätöjärjestelmän suunnittelu ja säätö

Ennen lämpötilansäätöjärjestelmän suunnittelua tarvitaan numeerinen simulaatioanalyysi lämmönsiirtoprosessien, kuten lämmönjohtavuuden, konvektion ja säteilyn simuloimiseksi ja laskemiseksi piikarbidin yksittäiskiteiden kasvun aikana, jotta saadaan aikaan lämpötilakentän jakautuminen. Kokeellisen todentamisen avulla numeerisen simulaation tulokset korjataan ja säädetään lämpötilansäätöjärjestelmän suunnitteluparametrien, kuten lämmitystehon, lämmitysalueen sijoittelun ja lämpötila-anturin sijainnin, määrittämiseksi. SiC-yksikiteiden kasvun aikana lämmitykseen käytetään yleensä vastuskuumennusta tai induktiokuumennusta. On tarpeen valita sopiva lämmityselementti. Vastuslämmitystä varten lämmityselementiksi voidaan valita korkean lämpötilan vastuslanka tai vastusuuni; induktiokuumennusta varten on valittava sopiva induktiolämmityspatteri tai induktiolämmityslevy. Lämmityselementtiä valittaessa on otettava huomioon sellaiset tekijät kuin lämmitystehokkuus, lämmityksen tasaisuus, korkean lämpötilan kestävyys ja vaikutus lämpökentän vakauteen. Lämpötilansäätöjärjestelmän suunnittelussa on otettava huomioon lämpötilan vakauden ja tasaisuuden lisäksi myös lämpötilan säätötarkkuus ja vastenopeus. On tarpeen suunnitella kohtuullinen lämpötilan säätöstrategia, kuten PID-säätö, sumea ohjaus tai hermoverkkoohjaus, jotta lämpötilan tarkka ohjaus ja säätö saavutettaisiin. On myös tarpeen suunnitella sopiva lämpötilan säätöjärjestelmä, kuten monipistekytkentäsäätö, paikallinen kompensointisäätö tai takaisinkytkentäsäätö, jotta varmistetaan tasainen ja vakaa lämpötilan jakautuminen koko lämpökentässä. Lämpötilan tarkan seurannan ja hallinnan toteuttamiseksi piikarbidin yksittäiskiteiden kasvun aikana on tarpeen ottaa käyttöön edistynyt lämpötilan mittaustekniikka ja ohjainlaitteet. Voit valita korkean tarkkuuden lämpötila-antureita, kuten lämpöpareja, lämpövastuksia tai infrapunalämpömittareita seurataksesi lämpötilan muutoksia kullakin alueella reaaliajassa, ja valita korkean suorituskyvyn lämpötilansäädinlaitteet, kuten PLC-ohjaimen (katso kuva 1) tai DSP-ohjaimen. , saavuttaaksesi lämmityselementtien tarkan ohjauksen ja säädön. Määrittämällä suunnitteluparametrit numeeristen simulaatioiden ja kokeellisten tarkastusmenetelmien perusteella, valitsemalla sopivat lämmitysmenetelmät ja lämmityselementit, suunnittelemalla järkeviä lämpötilansäätöstrategioita ja säätöjärjestelmiä sekä käyttämällä edistynyttä lämpötilan mittaustekniikkaa ja säätölaitteita, voit tehokkaasti saavuttaa tarkan säätö- ja säätölaitteen. lämpötilaa piikarbidin yksittäiskiteiden kasvun aikana ja parantaa yksittäisten kiteiden laatua ja saantoa.

3.3 Laskennallinen nestedynamiikan simulointi

Tarkan mallin luominen on laskennallisen nestedynamiikan (CFD) simulaation perusta. SiC yksikidekasvatuslaitteisto koostuu yleensä grafiittiuunista, induktiokuumennusjärjestelmästä, upokkaasta, suojakaasusta jne. Mallinnuksessa on otettava huomioon uunin rakenteen monimutkaisuus, lämmitysmenetelmän ominaisuudet. ja materiaalin liikkeen vaikutus virtauskenttään. Kolmiulotteisella mallinnolla rekonstruoidaan tarkasti uunin, upokkaan, induktiokäämin jne. geometriset muodot ja otetaan huomioon materiaalin lämpöfysikaaliset parametrit ja rajaolosuhteet, kuten lämmitysteho ja kaasun virtausnopeus.

CFD-simulaatiossa yleisesti käytettyjä numeerisia menetelmiä ovat finite volume method (FVM) ja elementtimenetelmä (FEM). SiC-yksikidekasvatuslaitteiden ominaisuudet huomioon ottaen FVM-menetelmää käytetään yleisesti nestevirtaus- ja lämmönjohtavuusyhtälöiden ratkaisemiseen. Silmukoitumisen suhteen on syytä kiinnittää huomiota avainalueiden, kuten grafiittiupokkaan pinnan ja yksikiteisen kasvualueen, jakamiseen, jotta voidaan varmistaa simulaatiotulosten tarkkuus. SiC-yksikiteen kasvuprosessiin liittyy erilaisia ​​fysikaalisia prosesseja, kuten lämmönjohtavuus, säteilylämmönsiirto, nesteen liike jne. Simulointiin valitaan todellisen tilanteen mukaan sopivat fysikaaliset mallit ja reunaehdot. Kun otetaan huomioon esimerkiksi lämmönjohtavuus ja säteilylämmönsiirto grafiittiupokkaan ja SiC-yksikiteen välillä, on asetettava sopivat lämmönsiirron rajaehdot; Kun otetaan huomioon induktiolämmityksen vaikutus nesteen liikkeeseen, induktiolämmitystehon rajaehdot on otettava huomioon.

Ennen CFD-simulaatiota on tarpeen asettaa simulaation aikavaihe, konvergenssikriteerit ja muut parametrit sekä suorittaa laskelmat. Simulointiprosessin aikana on tarpeen jatkuvasti säätää parametreja simulointitulosten stabiilisuuden ja konvergenssin varmistamiseksi sekä jälkikäsittelyä simulointitulokset, kuten lämpötilakentän jakauma, nesteen nopeusjakauma jne. lisäanalyysiä ja optimointia varten. . Simulaatiotulosten tarkkuus varmistetaan vertaamalla lämpötilakentän jakaumaa, yksikiteiden laatua ja muita tietoja varsinaisessa kasvuprosessissa. Simulointitulosten mukaan uunin rakenne, lämmitysmenetelmä ja muut näkökohdat on optimoitu parantamaan SiC-yksikidekasvatuslaitteiden kasvutehokkuutta ja yksikidelaatua. SiC-yksikidekasvatuslaitteiston lämpökentän suunnittelun CFD-simulointi sisältää tarkkojen mallien luomisen, sopivien numeeristen menetelmien ja verkostoitumisen valinnan, fyysisten mallien ja reunaehtojen määrittämisen, simulointiparametrien asettamisen ja laskemisen sekä simulointitulosten tarkistamisen ja optimoinnin. Tieteellinen ja järkevä CFD-simulaatio voi tarjota tärkeitä referenssejä piikarbidin yksikidekasvatuslaitteiden suunnittelussa ja optimoinnissa sekä parantaa kasvutehokkuutta ja yksikiteiden laatua.

3.4 Uunin rakenteen suunnittelu

Ottaen huomioon, että piikarbidin yksikiteiden kasvu vaatii korkeaa lämpötilaa, kemiallista inerttiä ja hyvää lämmönjohtavuutta, tulisi uunin rungon materiaali valita korkeita lämpötiloja ja korroosiota kestävistä materiaaleista, kuten piikarbidikeramiikka (SiC), grafiitti jne. SiC-materiaalilla on erinomainen laatu. korkean lämpötilan stabiilisuus ja kemiallinen inertisyys, ja se on ihanteellinen uunin rungon materiaali. Uunin rungon sisäseinäpinnan tulee olla sileä ja tasainen lämpösäteilyn ja lämmönsiirtovastuksen vähentämiseksi ja lämpökentän vakauden parantamiseksi. Uunin rakennetta tulisi yksinkertaistaa mahdollisimman paljon ja rakennekerroksia tulee vähentää lämpöjännityksen keskittymisen ja liiallisen lämpötilagradientin välttämiseksi. Sylinterimäistä tai suorakaiteen muotoista rakennetta käytetään yleensä helpottamaan lämpökentän tasaista jakautumista ja vakautta. Lisälämmityselementit, kuten lämmityskelat ja vastukset, on asetettu uunin sisälle parantamaan lämpötilan tasaisuutta ja lämpökentän vakautta ja varmistamaan yksikiteiden kasvun laatu ja tehokkuus. Yleisiä lämmitysmenetelmiä ovat induktiolämmitys, vastuslämmitys ja säteilylämmitys. SiC-yksikidekasvatuslaitteissa käytetään usein induktiolämmityksen ja vastuslämmityksen yhdistelmää. Induktiolämmitystä käytetään pääasiassa nopeaan lämmitykseen lämpötilan tasaisuuden ja lämpökentän vakauden parantamiseksi; vastuskuumennusta käytetään ylläpitämään vakio lämpötila ja lämpötilagradientti kasvuprosessin vakauden ylläpitämiseksi. Säteilylämmitys voi parantaa lämpötilan tasaisuutta uunin sisällä, mutta sitä käytetään yleensä apulämmitysmenetelmänä.

4. Johtopäätös

Tehoelektroniikan, optoelektroniikan ja muiden alojen piikarbidimateriaalien kysynnän kasvaessa piikarbidin yksikidekasvatusteknologian kehittämisestä tulee keskeinen tieteellisen ja teknologisen innovaation alue. SiC-yksikidekasvatuslaitteiden ytimenä lämpökentän suunnittelu saa jatkossakin laajaa huomiota ja syvällistä tutkimusta. Tulevaisuuden kehityssuuntiin kuuluu lämpökenttärakenteen ja ohjausjärjestelmän optimointi edelleen tuotannon tehokkuuden ja yksikidelaadun parantamiseksi; uusien materiaalien ja käsittelyteknologian tutkiminen laitteiden vakauden ja kestävyyden parantamiseksi; ja älykkään teknologian integrointi laitteiden automaattisen ohjauksen ja kaukovalvonnan saavuttamiseksi.