Дизајн топлотног поља за раст појединачног кристала СИЦ-а

1 Важност дизајна термичког поља у опреми за раст монокристала СиЦ

Сиц појединачни кристал је важан полуводички материјал, који се широко користи у електроничкој електроници, оптоелектроници и апликацијама са високим температурама. Дизајн топлотног терена директно утиче на понашање кристализације, уједначеност и нечистоћу кристала и има пресудан утицај на перформансе и излаз сиц појединачне опреме за раст кристалне кристалне кристалне употребе. Квалитет појединог кристала СИЦ директно утиче на његове перформансе и поузданост у производњи уређаја. Рационално дизајнирањем топлотног поља, може се постићи униформност дистрибуције температуре током раста кристала, топлотни стрес и термички градијент у кристалу, на тај начин смањујући стопу формирања кристалних оштећења. Оптимизовани дизајн топлотног терена такође може побољшати квалитет квалитета и кристално лице, додатно побољшати структурни интегритет и хемијску чистоћу кристала и осигурати да се одрасла сић појединачни кристал има добре електричне и оптичке својства.

Стопа раста СИЦ појединачног кристала директно утиче на трошкове производње и капацитете. Рационално дизајнирањем топлотног поља, температурни градијент и дистрибуција топлоте током процеса раста кристала могу се оптимизовати, а стопа раста кристала и ефективна стопа употребе подручја раста може се побољшати. Дизајн топлотног терена такође може смањити губитак енергије и материјалног отпада током процеса раста, смањити трошкове производње и побољшати ефикасност производње, чиме повећавају излаз сиц појединачних кристала. Сиц Појединачна опрема за раст кристала обично захтева велику количину система снабдевања енергијом и рационално осмишљавање топлотне области може смањити потрошњу енергије, смањити потрошњу енергије и емисије на животну средину. Оптимизацијом термичке структуре терена и топлотни проток, енергија се може максимизирати, а отпадна топлота може се рециклирати за побољшање енергетске ефикасности и смањење негативних утицаја на животну средину.

2 Потешкоће у дизајну термичког поља опреме за раст монокристала СиЦ

2.1 Необразљивост топлотне проводљивости материјала

СиЦ је веома важан полупроводнички материјал. Његова топлотна проводљивост има карактеристике високе температурне стабилности и одличне топлотне проводљивости, али његова дистрибуција топлотне проводљивости има одређену неуједначеност. У процесу раста монокристала СиЦ, како би се осигурала уједначеност и квалитет раста кристала, потребно је прецизно контролисати топлотно поље. Неуједначеност топлотне проводљивости СиЦ материјала довешће до нестабилности расподеле топлотног поља, што заузврат утиче на уједначеност и квалитет раста кристала. Опрема за раст монокристала СиЦ обично усваја методу физичког таложења паре (ПВТ) или метод транспорта гасне фазе, што захтева одржавање окружења високе температуре у комори за раст и остваривање раста кристала прецизном контролом расподеле температуре. Неуједначеност топлотне проводљивости СиЦ материјала довешће до неуједначене дистрибуције температуре у комори за раст, што утиче на процес раста кристала, што може проузроковати дефекте кристала или неуједначен квалитет кристала. Током раста СиЦ монокристала потребно је извршити тродимензионалну динамичку симулацију и анализу топлотног поља како би се боље разумео променљиви закон расподеле температуре и оптимизовао дизајн на основу резултата симулације. Због неуједначености топлотне проводљивости СиЦ материјала, на ове симулационе анализе може утицати одређени степен грешке, што утиче на прецизну контролу и оптимизацију дизајна топлотног поља.

2.2 Потешкоће у регулацији конвекције унутар опреме

Током раста СиЦ монокристала, потребно је одржавати строгу контролу температуре како би се осигурала униформност и чистоћа кристала. Феномен конвекције унутар опреме може проузроковати неуједначеност температурног поља, што утиче на квалитет кристала. Конвекција обично формира температурни градијент, што резултира неуједначеном структуром на површини кристала, што заузврат утиче на перформансе и примену кристала. Добра контрола конвекције може подесити брзину и смер протока гаса, што помаже да се смањи неуједначеност површине кристала и побољша ефикасност раста. Сложена геометријска структура и процес гасне динамике унутар опреме отежавају прецизну контролу конвекције. Високотемпературно окружење ће довести до смањења ефикасности преноса топлоте и повећати формирање температурног градијента унутар опреме, што утиче на уједначеност и квалитет раста кристала. Неки корозивни гасови могу утицати на материјале и елементе за пренос топлоте унутар опреме, чиме утичу на стабилност и контролу конвекције. Опрема за раст монокристала СиЦ обично има сложену структуру и вишеструке механизме преноса топлоте, као што су пренос топлоте радијацијом, конвекцијски пренос топлоте и проводљивост топлоте. Ови механизми преноса топлоте су међусобно повезани, чинећи регулацију конвекције компликованијом, посебно када постоје процеси вишефазног тока и промене фаза унутар опреме, теже је прецизно моделирати и контролисати конвекцију.

3 Кључне тачке дизајна термичког поља опреме за раст монокристала СиЦ

3.1 Дистрибуција и контрола снаге грејања

У дизајну топлотног терена, режим дистрибуције и контролна стратегија загревања треба да се утврди у складу са параметрима процеса и захтевима кристалног раста. Сиц Појединачна опрема за раст кристала користи графитно грејне шипке или индукционе грејаче за грејање. Јединственост и стабилност топлотног поља могу се постићи дизајнирањем распореда изгледа и електричне енергије грејача. Током раста појединачних кристала сића, температурна уједначеност има важан утицај на квалитет кристала. Дистрибуција грејне снаге треба да буде у могућности да осигура уједначеност температуре на термичкој области. Нумеричком симулацијом и експерименталним верификацијом, однос између пресипавања грејања и дистрибуције температуре, а затим се шема дистрибуције енергије могу оптимизовати да би се дистрибуција температуре у топлотном пољу учинила уједначенија и стабилна. Током раста појединих кристала сића, контрола грејне моћи треба да буде у могућности да постигне прецизну регулацију и стабилну контролу температуре. Аутоматски алгоритми за контролу као што су ПИД регулатор или нејасни контролер могу се користити за постизање контроле затворене петље загревања засноване на температурним подацима у реалном времену која су се натраг од сензора температуре да би се осигурала стабилност и уједначеност температуре у топлотној области. Током раста појединачних кристала СИЦ-а, величина грејне снаге ће директно утицати на стопу раста кристала. Контрола грејне моћи треба да буде у могућности да постигне прецизну регулацију стопе раста кристала. Анализом и експериментално верификацијом односа између грејне снаге и раста кристала, стратегија контроле енергије може се утврдити да би се постигла прецизна контрола стопе раста кристала. Током операције СИЦ-а појединачне опреме за раст кристала, стабилност грејне моћи има важан утицај на квалитет раста кристала. Потребни су стабилни и поуздани систем за грејање и управљање системима да би се осигурала стабилност и поузданост грејне снаге. Опрема за грејање треба редовно одржавати и сервисирати да благовремено открије и реши грешке и проблеме у грејној опреми да би се осигурало нормално деловање опреме и стабилан резултат грејне снаге. Рационално осмишљавањем шеме дистрибуције грејања, с обзиром на однос између грејног енергије и дистрибуције температуре, остваривање прецизне контроле грејне снаге и обезбеђивање стабилности и поузданости грејне моћи, ефикасност раста и кристално квалитета јединствене употребе система кристала система могу бити Ефикасно се побољшало и напредак и развој технологије појединачног раста СИЦ-а могу се промовисати.

3.2 Дизајн и подешавање система за контролу температуре

Пре пројектовања система за контролу температуре, потребна је нумеричка симулациона анализа да би се симулирали и израчунали процеси преноса топлоте као што су провођење топлоте, конвекција и зрачење током раста монокристала СиЦ да би се добила дистрибуција температурног поља. Експерименталном верификацијом, резултати нумеричке симулације се коригују и прилагођавају како би се одредили пројектни параметри система за контролу температуре, као што су снага грејања, распоред грејне површине и локација температурног сензора. Током раста монокристала СиЦ, за грејање се обично користи отпорно или индукционо грејање. Неопходно је одабрати одговарајући грејни елемент. За грејање отпором, као грејни елемент може се изабрати жица отпора на високе температуре или отпорна пећ; за индукционо грејање, потребно је изабрати одговарајући индукциони грејни калем или индукциону грејну плочу. Приликом одабира грејног елемента потребно је узети у обзир факторе као што су ефикасност грејања, уједначеност грејања, отпорност на високе температуре и утицај на стабилност термичког поља. Дизајн система за контролу температуре треба да узме у обзир не само стабилност и уједначеност температуре, већ и тачност подешавања температуре и брзину одзива. Неопходно је дизајнирати разумну стратегију контроле температуре, као што је ПИД контрола, фуззи контрола или контрола неуронске мреже, да би се постигла тачна контрола и подешавање температуре. Такође је неопходно дизајнирати одговарајућу шему за подешавање температуре, као што је подешавање вишеструких тачака, подешавање локалне компензације или подешавање повратне спреге, како би се обезбедила уједначена и стабилна дистрибуција температуре целог топлотног поља. Да би се реализовао прецизно праћење и контрола температуре током раста СиЦ монокристала, неопходно је усвојити напредну технологију сензора температуре и опрему за контролу. Можете одабрати високо прецизне температурне сензоре као што су термопарови, топлотни отпорници или инфрацрвени термометри да бисте пратили промене температуре у свакој области у реалном времену, и да изаберете опрему за контролу температуре високих перформанси, као што је ПЛЦ контролер (погледајте слику 1) или ДСП контролер , за постизање прецизне контроле и подешавања грејних елемената. Одређивањем параметара дизајна на основу нумеричке симулације и метода експерименталне верификације, одабиром одговарајућих метода грејања и грејних елемената, дизајнирањем разумних стратегија контроле температуре и шема подешавања, и коришћењем напредне технологије сензора температуре и опреме за контролу, можете ефикасно постићи прецизну контролу и подешавање температуру током раста СиЦ монокристала, и побољшати квалитет и принос монокристала.

3.3 Рачунарска симулација динамике флуида

Успостављање тачног модела је основа за симулацију рачунарске динамике флуида (ЦФД). Опрема за раст монокристала СиЦ обично се састоји од графитне пећи, система индукционог грејања, лонца, заштитног гаса, итд. У процесу моделирања потребно је узети у обзир сложеност структуре пећи, карактеристике методе грејања. , и утицај кретања материјала на поље струјања. Тродимензионално моделовање се користи за прецизну реконструкцију геометријских облика пећи, лончића, индукционог намотаја, итд., и узима у обзир термичке физичке параметре и граничне услове материјала, као што су снага грејања и брзина протока гаса.

У симулацији ЦФД-а, најчешће коришћене нумеричке методе укључују методу коначне јачине звука (ФВМ) и метода коначних елемената (ФЕМ). С обзиром на карактеристике СИЦ-ове јединствене опреме за раст кристала, ФВМ метода се углавном користи за решавање течности протока и једнакости топлоте. У погледу месхинг-а, потребно је обратити пажњу на подвргавање кључних подручја, као што су графитно крстави површина и јединствено подручје раста кристала, како би се осигурала тачност резултата симулације. Процес раста СИЦ-овог кристала укључује различите физичке процесе, као што су проводник топлоте, пренос топлоте зрачења, кретање топлоте, итд. Према стварној ситуацији, одговарајући физички модели и гранични услови изабрани су за симулацију. На пример, с обзиром на топлотну проводљивост и пренос топлоте зрачења између графитског лош и сичког појединачног кристала, потребно је поставити одговарајуће граничне услове преноса топлоте; С обзиром на утицај индукционе грејања на кретање течности, потребно је узети у обзир граничне услове индукционе енергије.

Пре симулације ЦФД-а потребно је подесити корак симулације, критеријуме за конвергенцију и друге параметре и обављати прорачуне. Током процеса симулације, потребно је континуирано прилагодити параметре како би се осигурала стабилност и конвергенција резултата симулације и постјед процеса симулацијског резултата, као што је дистрибуција температуре, дистрибуција брзине брзине итд, за даљу анализу и оптимизацију . Тачност резултата симулације верификује се упоређивањем са дистрибуцијом температуре, јединственим квалитетом кристала и осталим подацима у стварном процесу раста. Према резултатима симулације, структура пећи, метода грејања и други аспекти оптимизују се за побољшање ефикасности раста и јединственим кристално квалитетом јединствене употребе кристалне раста кристала. ЦФД Симулација термичког поља Дизајн јединственог раста кристалног кристала укључује успостављање тачних модела, одабиром одговарајућих нумеричких метода и месхинг-а, одређивање физичких модела и граничних услова, подешавања и израчунавања параметара симулације и верификације и оптимизације симулацијских резултата. Научна и разумна симулација ЦФД-а може пружити важне референце за дизајн и оптимизацију јединствене опреме за раст кристала и побољшати ефикасност раста и јединствено кристално квалитет.

3.4 Дизајн структуре пећи

Узимајући у обзир да раст монокристала СиЦ захтева високу температуру, хемијску инертност и добру топлотну проводљивост, материјал за тело пећи треба изабрати од материјала отпорних на високе температуре и корозију, као што су керамика од силицијум карбида (СиЦ), графит, итд. СиЦ материјал има одличан висока температурна стабилност и хемијска инертност, и идеалан је материјал за тело пећи. Унутрашња површина зида пећи треба да буде глатка и уједначена да би се смањила отпорност на топлотно зрачење и пренос топлоте и побољшала стабилност термичког поља. Структуру пећи треба поједноставити што је више могуће, са мање структурних слојева како би се избегла концентрација топлотног напрезања и прекомерни температурни градијент. Цилиндрична или правоугаона структура се обично користи да би се олакшала уједначена дистрибуција и стабилност топлотног поља. Помоћни грејни елементи као што су грејни калемови и отпорници су постављени унутар пећи како би се побољшала уједначеност температуре и стабилност термичког поља и осигурао квалитет и ефикасност раста монокристала. Уобичајене методе грејања укључују индукционо грејање, грејање отпором и грејање зрачењем. У опреми за раст монокристала СиЦ често се користи комбинација индукционог грејања и отпорног грејања. Индукционо грејање се углавном користи за брзо загревање ради побољшања уједначености температуре и стабилности термичког поља; отпорно загревање се користи за одржавање константне температуре и температурног градијента како би се одржала стабилност процеса раста. Грејање зрачењем може побољшати уједначеност температуре унутар пећи, али се обично користи као помоћна метода грејања.

4 Закључак

Са растућом потражњом за СиЦ материјалима у енергетској електроници, оптоелектроници и другим областима, развој технологије раста СиЦ монокристала постаће кључна област научних и технолошких иновација. Као језгро опреме за раст монокристала СиЦ, дизајн термичког поља ће наставити да добија велику пажњу и дубинско истраживање. Будући правци развоја укључују даљу оптимизацију структуре топлотног поља и система контроле ради побољшања ефикасности производње и квалитета монокристала; истраживање нових материјала и технологије обраде ради побољшања стабилности и трајности опреме; и интегрисање интелигентне технологије за постизање аутоматске контроле и даљинског надзора опреме.