Návrh tepelného pole pro růst monokrystalů SiC

1 Význam návrhu tepelného pole v zařízení pro růst monokrystalů SiC

SiC monokrystal je důležitým polovodičovým materiálem, který je široce používán ve výkonové elektronice, optoelektronice a vysokoteplotních aplikacích. Návrh tepelného pole přímo ovlivňuje krystalizační chování, stejnoměrnost a kontrolu nečistot krystalu a má rozhodující vliv na výkon a výkon zařízení pro růst monokrystalů SiC. Kvalita monokrystalu SiC přímo ovlivňuje jeho výkon a spolehlivost při výrobě zařízení. Racionálním navržením tepelného pole lze dosáhnout rovnoměrnosti rozložení teploty během růstu krystalu, lze se vyhnout tepelnému namáhání a tepelnému gradientu v krystalu, čímž se sníží rychlost tvorby krystalových defektů. Optimalizovaný návrh tepelného pole může také zlepšit kvalitu povrchu krystalu a rychlost krystalizace, dále zlepšit strukturální integritu a chemickou čistotu krystalu a zajistit, že vyrostlý monokrystal SiC má dobré elektrické a optické vlastnosti.

Rychlost růstu monokrystalu SiC přímo ovlivňuje výrobní náklady a kapacitu. Racionálním navržením tepelného pole lze optimalizovat teplotní gradient a distribuci tepelného toku během procesu růstu krystalu a zlepšit rychlost růstu krystalu a efektivní rychlost využití oblasti růstu. Návrh tepelného pole může také snížit energetické ztráty a plýtvání materiálem během procesu růstu, snížit výrobní náklady a zlepšit efektivitu výroby, čímž se zvýší produkce monokrystalů SiC. Zařízení pro růst monokrystalů SiC obvykle vyžaduje velké množství systému dodávky energie a chlazení a racionální návrh tepelného pole může snížit spotřebu energie, snížit spotřebu energie a emise do životního prostředí. Optimalizací struktury tepelného pole a cesty tepelného toku lze maximalizovat energii a recyklovat odpadní teplo pro zlepšení energetické účinnosti a snížení negativních dopadů 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 nerovnoměrnému rozložení teploty v růstové komoře, čímž bude ovlivněn 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 monokrystalů SiC je třeba udržovat přísnou kontrolu teploty, aby byla zajištěna jednotnost a čistota krystalů. Jev konvekce uvnitř zařízení může způsobit nerovnoměrnost teplotního pole, a tím ovlivnit kvalitu krystalů. Konvekce obvykle vytváří teplotní gradient, jehož výsledkem je nejednotná struktura na povrchu krystalu, což zase ovlivňuje výkon a aplikaci krystalů. Dobrá regulace konvekce může upravit rychlost a směr proudění plynu, což pomáhá snížit nerovnoměrnost povrchu krystalu a zlepšit účinnost růstu. Složitá geometrická struktura a proces dynamiky plynů uvnitř zařízení extrémně ztěžují přesné řízení proudění. Vysokoteplotní prostředí povede ke snížení účinnosti přenosu tepla a ke zvýšení tvorby teplotního gradientu uvnitř zařízení, což ovlivní rovnoměrnost a kvalitu růstu krystalů. Některé korozivní plyny mohou ovlivnit materiály a prvky přenosu tepla uvnitř zařízení, a tím ovlivnit stabilitu a ovladatelnost konvekce. Zařízení pro růst monokrystalů SiC má obvykle složitou strukturu a více mechanismů přenosu tepla, jako je přenos tepla zářením, přenos tepla konvekcí a vedení tepla. Tyto mechanismy přenosu tepla jsou vzájemně propojeny, což zkomplikuje regulaci konvekce, zvláště když uvnitř zařízení probíhá vícefázové proudění a procesy změny fáze, je obtížnější přesně modelovat a řídit 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 Výpočtová simulace 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 monokrystalů SiC vyžaduje vysokou teplotu, chemickou inertnost a dobrou tepelnou vodivost, měl by být materiál tělesa pece vybrán z materiálů odolných vůči vysokým teplotám a korozi, jako je keramika z karbidu křemíku (SiC), grafit atd. Materiál SiC má vynikající vysoká teplotní stabilita a chemická inertnost a je ideálním materiálem tělesa pece. Povrch vnitřní stěny tělesa pece by měl být hladký a rovnoměrný, aby se snížil odpor tepelného záření a přenosu tepla a zlepšila se stabilita tepelného pole. Konstrukce pece by měla být co nejvíce zjednodušena, s menším počtem konstrukčních vrstev, aby se zabránilo koncentraci tepelného napětí a nadměrnému teplotnímu gradientu. K usnadnění rovnoměrného rozložení a stability tepelného pole se obvykle používá válcová nebo obdélníková struktura. Pomocné topné prvky, jako jsou topné spirály a odpory, jsou umístěny uvnitř pece, aby zlepšily rovnoměrnost teploty a stabilitu tepelného pole a zajistily kvalitu a účinnost růstu monokrystalů. Mezi běžné způsoby ohřevu patří indukční ohřev, odporový ohřev a radiační ohřev. V zařízeních pro růst monokrystalů SiC se často používá kombinace indukčního ohřevu a odporového ohřevu. Indukční ohřev se používá hlavně pro rychlý ohřev pro zlepšení rovnoměrnosti teploty a stability tepelného pole; odporový ohřev slouží k udržení stálé teploty a teplotního gradientu k udržení stability růstového procesu. Radiační ohřev může zlepšit rovnoměrnost teploty uvnitř pece, ale obvykle se používá jako pomocný způsob ohřevu.

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.