Návrh tepelného pole pro růst SIC s jedním krystalem

1 Význam návrhu tepelného pole v zařízení pro růst monokrystalů SiC

Sic Single Crystal je důležitý polovodičový materiál, který se široce používá v energetické elektronice, optoelektronice a aplikacích s vysokou teplotou. Konstrukce tepelného pole přímo ovlivňuje chování krystalizace, uniformitu a kontrolu nečistot na krystalu a má rozhodující vliv na výkon a výstup zařízení SIC s jedním krystalem. Kvalita SIC Single Crystal přímo ovlivňuje jeho výkon a spolehlivost ve výrobě zařízení. Racionálním navrhováním tepelného pole lze dosáhnout jednotnosti distribuce teploty během růstu krystalů, lze se zabránit tepelnému napětí a tepelnému gradientu v krystalu, čímž se sníží rychlost tvorby krystalových defektů. Optimalizovaný návrh tepelného pole může také zlepšit rychlost kvality a krystalizace krystalu, dále zlepšit strukturální integritu a chemickou čistotu krystalu a zajistit, aby dospělý sic monokrystal má dobré elektrické a optické vlastnosti.

Rychlost růstu SIC Single Crystal přímo ovlivňuje výrobní náklady a kapacitu. Racionálním navrhováním tepelného pole lze optimalizovat distribuci teplotního gradientu a toku tepla během procesu růstu krystalů a lze zlepšit rychlost růstu krystalu a efektivní rychlost využití v oblasti růstu. Návrh tepelného pole může také snížit ztrátu energie a materiál během procesu růstu, snížit výrobní náklady a zlepšit účinnost výroby, čímž se zvýší produkci monokrystalů SIC. Zařízení pro růst s jedním krystalem SIC obvykle vyžaduje velké množství zásobování a chlazení energie a racionální navrhování tepelného pole může snížit spotřebu energie, snížit spotřebu energie a emise životního prostředí. Optimalizací struktury tepelného pole a dráhy průtoku tepla lze energii maximalizovat a odpadní teplo může být recyklováno, aby se zlepšila energetická účinnost a snížila negativní dopady na životní prostředí.

2 Obtíže při návrhu tepelného pole zařízení pro růst monokrystalů SiC

2.1 Nerovnoměrnost tepelné vodivosti materiálů

SiC je velmi důležitý polovodičový materiál. Jeho tepelná vodivost se vyznačuje vysokou teplotní stabilitou a vynikající tepelnou vodivostí, ale jeho rozložení tepelné vodivosti má určitou nerovnoměrnost. V procesu růstu monokrystalů SiC, aby byla zajištěna rovnoměrnost a kvalita růstu krystalů, je třeba přesně kontrolovat tepelné pole. Nerovnoměrnost tepelné vodivosti materiálů SiC povede k nestabilitě rozložení tepelného pole, což následně ovlivňuje rovnoměrnost a kvalitu růstu krystalů. Zařízení pro růst monokrystalů SiC obvykle využívá metodu fyzikální depozice z plynné fáze (PVT) nebo metodu transportu plynné fáze, která vyžaduje udržování prostředí s vysokou teplotou v růstové komoře a realizaci růstu krystalů přesným řízením distribuce teploty. Nerovnoměrnost tepelné vodivosti materiálů SiC povede k nestejnoměrnému rozložení teploty v růstové komoře, což ovlivní proces růstu krystalů, což může způsobit defekty krystalů nebo nestejnoměrnou kvalitu krystalů. Během růstu monokrystalů SiC je nutné provádět trojrozměrnou dynamickou simulaci a analýzu tepelného pole, abychom lépe pochopili měnící se zákon rozložení teplot a optimalizovali návrh na základě výsledků simulace. Vzhledem k nestejnoměrnosti tepelné vodivosti SiC materiálů mohou být tyto simulační analýzy ovlivněny určitou mírou chyb, a tím ovlivnit přesné řízení a návrh optimalizace tepelného pole.

2.2 Obtížná regulace konvekce uvnitř zařízení

Během růstu SIC monokrystalů je třeba udržovat přísnou kontrolu teploty, aby se zajistila uniformita a čistota krystalů. Fenomén konvekce uvnitř zařízení může způsobit nejednotnost teplotního pole, čímž ovlivňuje kvalitu krystalů. Konvekce obvykle tvoří teplotní gradient, což má za následek nerovnoměrnou strukturu na povrchu krystalu, což zase ovlivňuje výkon a aplikaci krystalů. Dobrá kontrola konvekce může upravit rychlost a směr průtoku plynu, což pomáhá snížit nejednotnost povrchu krystalu a zlepšit účinnost růstu. Komplexní geometrická struktura a proces dynamiky plynu uvnitř zařízení ztěžují přesné ovládání konvekce. Vysoko teplotní prostředí povede ke snížení účinnosti přenosu tepla a zvýšení tvorby teplotního gradientu uvnitř zařízení, čímž se ovlivňuje uniformitu a kvalitu růstu krystalů. Některé korozivní plyny mohou ovlivnit materiály a prvky přenosu tepla uvnitř zařízení, čímž ovlivňují stabilitu a ovladatelnost konvekce. Zařízení pro růst s jedním krystalem SIC má obvykle komplexní strukturu a více mechanismů přenosu tepla, jako je přenos tepla záření, přenos tepla konvekcí a vedení tepla. Tyto mechanismy přenosu tepla jsou vzájemně spojeny, takže regulace konvekce komplikují, zejména pokud jsou uvnitř zařízení vícefázové tok a procesy změny fáze, je obtížnější přesně modelovat a kontrolovat konvekci.

3 Klíčové body návrhu tepelného pole zařízení pro růst monokrystalů SiC

3.1 Rozvod a regulace topného výkonu

Při návrhu tepelného pole by měl být režim distribuce a strategie řízení topného výkonu stanoveny podle parametrů procesu a požadavků růstu krystalů. Zařízení pro růst monokrystalů SiC používá k ohřevu grafitové topné tyče nebo indukční ohřívače. Rovnoměrnosti a stability tepelného pole lze dosáhnout návrhem dispozice a rozvodu výkonu ohřívače. Během růstu monokrystalů SiC má rovnoměrnost teploty důležitý vliv na kvalitu krystalu. Rozdělení topného výkonu by mělo být schopno zajistit rovnoměrnost teploty v tepelném poli. Pomocí numerické simulace a experimentálního ověření lze určit vztah mezi topným výkonem a rozložením teploty a následně optimalizovat schéma rozložení topného výkonu, aby bylo rozložení teploty v tepelném poli rovnoměrnější a stabilnější. Během růstu monokrystalů SiC by mělo být řízením topného výkonu možné dosáhnout přesné regulace a stabilního řízení teploty. Automatické řídicí algoritmy, jako je PID regulátor nebo fuzzy regulátor, lze použít k dosažení uzavřené smyčky řízení topného výkonu na základě teplotních dat v reálném čase zpětně dodávaných teplotními senzory, aby byla zajištěna stabilita a rovnoměrnost teploty v tepelném poli. Během růstu monokrystalů SiC bude velikost topného výkonu přímo ovlivňovat rychlost růstu krystalů. Řízením topného výkonu by mělo být možné dosáhnout přesné regulace rychlosti růstu krystalů. Analýzou a experimentálním ověřením vztahu mezi výkonem ohřevu a rychlostí růstu krystalů lze určit rozumnou strategii řízení výkonu ohřevu pro dosažení přesné kontroly rychlosti růstu krystalů. Během provozu zařízení pro růst monokrystalů SiC má stabilita topného výkonu důležitý vliv na kvalitu růstu krystalů. Pro zajištění stability a spolehlivosti topného výkonu jsou zapotřebí stabilní a spolehlivá topná zařízení a řídicí systémy. Topné zařízení je třeba pravidelně udržovat a obsluhovat, aby se včas odhalily a vyřešily závady a problémy topného zařízení, aby byl zajištěn normální provoz zařízení a stabilní výkon topného výkonu. Racionálním navržením schématu distribuce topného výkonu, zvážením vztahu mezi topným výkonem a distribucí teploty, realizací přesného řízení topného výkonu a zajištěním stability a spolehlivosti topného výkonu lze dosáhnout účinnosti růstu a kvality krystalů zařízení pro růst monokrystalů SiC. účinně zlepšovat a lze podporovat pokrok a vývoj technologie růstu monokrystalů SiC.

3.2 Návrh a seřízení systému regulace teploty

Před návrhem systému regulace teploty je nutná numerická simulační analýza pro simulaci a výpočet procesů přenosu tepla, jako je vedení tepla, konvekce a záření během růstu monokrystalů SiC, aby se získalo rozložení teplotního pole. Prostřednictvím experimentálního ověření jsou výsledky numerické simulace opraveny a upraveny tak, aby určily konstrukční parametry systému regulace teploty, jako je topný výkon, rozložení topné plochy a umístění teplotního čidla. Při růstu monokrystalů SiC se k ohřevu obvykle používá odporový ohřev nebo indukční ohřev. Je nutné vybrat vhodné topné těleso. Pro odporový ohřev lze jako topné těleso zvolit vysokoteplotní odporový drát nebo odporovou pec; pro indukční ohřev je potřeba vybrat vhodnou indukční topnou spirálu nebo indukční topnou desku. Při výběru topného prvku je třeba vzít v úvahu faktory, jako je účinnost ohřevu, rovnoměrnost ohřevu, vysoká teplotní odolnost a vliv na stabilitu tepelného pole. Při návrhu systému regulace teploty je třeba vzít v úvahu nejen stabilitu a rovnoměrnost teploty, ale také přesnost nastavení teploty a rychlost odezvy. Je nutné navrhnout rozumnou strategii regulace teploty, jako je PID regulace, fuzzy regulace nebo regulace neuronové sítě, aby bylo dosaženo přesné regulace a úpravy teploty. Je také nutné navrhnout vhodné schéma nastavení teploty, jako je nastavení vícebodového propojení, nastavení lokální kompenzace nebo nastavení zpětné vazby, aby bylo zajištěno rovnoměrné a stabilní rozložení teploty celého tepelného pole. Aby bylo možné realizovat přesné monitorování a řízení teploty během růstu monokrystalů SiC, je nutné přijmout pokročilou technologii snímání teploty a řídicí zařízení. Můžete si vybrat vysoce přesné teplotní senzory, jako jsou termočlánky, tepelné odpory nebo infračervené teploměry pro sledování změn teploty v každé oblasti v reálném čase, a vybrat si vysoce výkonné zařízení pro regulaci teploty, jako je PLC regulátor (viz obrázek 1) nebo DSP regulátor. , pro dosažení přesné regulace a nastavení topných těles. Určením konstrukčních parametrů na základě numerické simulace a experimentálních ověřovacích metod, výběrem vhodných způsobů vytápění a topných prvků, navržením rozumných strategií řízení teploty a schémat nastavení a použitím pokročilé technologie snímání teploty a řídicího zařízení můžete efektivně dosáhnout přesné regulace a nastavení teplotu během růstu monokrystalů SiC a zlepšit kvalitu a výtěžek monokrystalů.

3.3 Simulace výpočetní dynamiky tekutin

Vytvoření přesného modelu je základem pro výpočetní simulaci dynamiky tekutin (CFD). Zařízení pro růst monokrystalů SiC se obvykle skládá z grafitové pece, indukčního topného systému, kelímku, ochranného plynu atd. V procesu modelování je nutné vzít v úvahu složitost konstrukce pece, vlastnosti způsobu ohřevu. a vliv pohybu materiálu na pole proudění. Trojrozměrné modelování se používá k přesné rekonstrukci geometrických tvarů pece, kelímku, indukční cívky atd. a zohlednění tepelně fyzikálních parametrů a okrajových podmínek materiálu, jako je topný výkon a průtok plynu.

V CFD simulaci běžně používané numerické metody zahrnují metodu konečných objemů (FVM) a metodu konečných prvků (FEM). S ohledem na charakteristiky zařízení pro růst monokrystalů SiC se metoda FVM obecně používá k řešení rovnic proudění tekutiny a vedení tepla. Pokud jde o síťování, je nutné věnovat pozornost dělení klíčových oblastí, jako je povrch grafitového kelímku a oblast růstu monokrystalu, aby byla zajištěna přesnost výsledků simulace. Proces růstu monokrystalu SiC zahrnuje různé fyzikální procesy, jako je vedení tepla, přenos tepla zářením, pohyb tekutiny atd. Podle aktuální situace jsou pro simulaci vybrány vhodné fyzikální modely a okrajové podmínky. Například, vezmeme-li v úvahu přenos tepla vedením a zářením mezi grafitovým kelímkem a monokrystalem SiC, je třeba nastavit vhodné okrajové podmínky přenosu tepla; s ohledem na vliv indukčního ohřevu na pohyb tekutiny je třeba vzít v úvahu okrajové podmínky výkonu indukčního ohřevu.

Před CFD simulací je nutné nastavit časový krok simulace, kritéria konvergence a další parametry a provést výpočty. Během procesu simulace je nutné průběžně upravovat parametry pro zajištění stability a konvergence výsledků simulace a následně zpracovávat výsledky simulace, jako je rozložení teplotního pole, rozložení rychlosti tekutiny atd., pro další analýzu a optimalizaci. . Přesnost výsledků simulace je ověřena porovnáním s rozložením teplotního pole, kvalitou monokrystalu a dalšími údaji v aktuálním procesu růstu. Podle výsledků simulace jsou struktura pece, způsob ohřevu a další aspekty optimalizovány tak, aby se zlepšila účinnost růstu a kvalita monokrystalu zařízení pro růst monokrystalů SiC. CFD simulace návrhu tepelného pole zařízení pro růst monokrystalů SiC zahrnuje vytvoření přesných modelů, výběr vhodných numerických metod a síťování, určení fyzikálních modelů a okrajových podmínek, nastavení a výpočet parametrů simulace a ověření a optimalizaci výsledků simulace. Vědecká a rozumná CFD simulace může poskytnout důležité reference pro návrh a optimalizaci zařízení pro růst monokrystalů SiC a zlepšit účinnost růstu a kvalitu monokrystalu.

3.4 Návrh konstrukce pece

Vzhledem k tomu, že růst s jedním krystalem SIC vyžaduje vysokou teplotu, chemickou setrvačnost a dobrou tepelnou vodivost, měl by být materiál v peci vybrán z vysokých teplot a materiálů odolných vůči korozi, jako je křemíkový karbid keramika (SIC), grafit atd. SIC materiál má vynikající vynikající Stabilita s vysokou teplotou a chemickou inertici a je ideálním materiálem pro tělo pece. Vnitřní povrch stěny v těle pece by měl být hladký a jednotný, aby se snížila odolnost proti tepelnému záření a přenosu tepla a zlepšit stabilitu tepelného pole. Struktura pece by měla být co nejvíce zjednodušena, s méně strukturálními vrstvami, aby se zabránilo koncentraci tepelného napětí a nadměrného teplotního gradientu. K usnadnění jednotné distribuce a stability tepelného pole se obvykle používá válcová nebo obdélníková struktura. Pomocné topné prvky, jako jsou topné cívky a rezistory, jsou zasazeny uvnitř pece, aby se zlepšila rovnoměrnost teploty a stabilita tepelného pole a zajistila kvalitu a účinnost růstu jednoho krystalu. Mezi běžné metody zahřívání patří vytápění indukce, zahřívání odporu a vytápění záření. V zařízení SIC s jedním krystalem se často používá kombinace indukčního vytápění a vytápění odporu. Indukční zahřívání se používá hlavně pro rychlé zahřívání ke zlepšení uniformity teploty a stability tepelného pole; Vytápění odporu se používá k udržení konstantní teploty a teplotního gradientu pro udržení stability procesu růstu. Vytápění záření může zlepšit uniformitu teploty uvnitř pece, ale obvykle se používá jako metoda pomocného vytápění.

4 Závěr

S rostoucí poptávkou po materiálech SiC ve výkonové elektronice, optoelektronice a dalších oborech se vývoj technologie růstu monokrystalů SiC stane klíčovou oblastí vědeckých a technologických inovací. Jako jádro zařízení pro růst monokrystalů SiC bude návrhu tepelného pole nadále věnována rozsáhlá pozornost a hloubkový výzkum. Budoucí vývojové směry zahrnují další optimalizaci struktury tepelného pole a řídicího systému pro zlepšení efektivity výroby a kvality monokrystalu; zkoumání nových materiálů a technologií zpracování pro zlepšení stability a životnosti zařízení; a integrace inteligentní technologie k dosažení automatického ovládání a vzdáleného monitorování zařízení.