Reka Bentuk Medan Terma untuk Pertumbuhan Kristal Tunggal SiC

1 Kepentingan reka bentuk medan haba dalam peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC

Kristal tunggal SiC ialah bahan semikonduktor yang penting, yang digunakan secara meluas dalam elektronik kuasa, optoelektronik dan aplikasi suhu tinggi. Reka bentuk medan haba secara langsung mempengaruhi tingkah laku penghabluran, keseragaman dan kawalan kekotoran kristal, dan mempunyai pengaruh yang menentukan ke atas prestasi dan output peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC. Kualiti kristal tunggal SiC secara langsung mempengaruhi prestasi dan kebolehpercayaannya dalam pembuatan peranti. Dengan mereka bentuk medan haba secara rasional, keseragaman taburan suhu semasa pertumbuhan kristal boleh dicapai, tegasan haba dan kecerunan terma dalam kristal dapat dielakkan, dengan itu mengurangkan kadar pembentukan kecacatan kristal. Reka bentuk medan haba yang dioptimumkan juga boleh meningkatkan kualiti muka kristal dan kadar penghabluran, meningkatkan lagi integriti struktur dan ketulenan kimia kristal, dan memastikan bahawa kristal tunggal SiC yang ditanam mempunyai sifat elektrik dan optik yang baik.

Kadar pertumbuhan kristal tunggal SiC secara langsung mempengaruhi kos pengeluaran dan kapasiti. Dengan mereka bentuk medan haba secara rasional, kecerunan suhu dan pengagihan aliran haba semasa proses pertumbuhan kristal boleh dioptimumkan, dan kadar pertumbuhan kristal dan kadar penggunaan berkesan kawasan pertumbuhan boleh dipertingkatkan. Reka bentuk medan haba juga boleh mengurangkan kehilangan tenaga dan sisa bahan semasa proses pertumbuhan, mengurangkan kos pengeluaran, dan meningkatkan kecekapan pengeluaran, dengan itu meningkatkan pengeluaran kristal tunggal SiC. Peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC biasanya memerlukan sejumlah besar bekalan tenaga dan sistem penyejukan, dan secara rasional mereka bentuk medan haba boleh mengurangkan penggunaan tenaga, mengurangkan penggunaan tenaga dan pelepasan alam sekitar. Dengan mengoptimumkan struktur medan haba dan laluan aliran haba, tenaga boleh dimaksimumkan, dan sisa haba boleh dikitar semula untuk meningkatkan kecekapan tenaga dan mengurangkan kesan negatif terhadap alam sekitar.

2 Kesukaran dalam reka bentuk medan haba peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC

2.1 Ketidakseragaman kekonduksian haba bahan

SiC ialah bahan semikonduktor yang sangat penting. Kekonduksian termanya mempunyai ciri-ciri kestabilan suhu tinggi dan kekonduksian terma yang sangat baik, tetapi pengagihan kekonduksian termanya mempunyai ketidakseragaman tertentu. Dalam proses pertumbuhan kristal tunggal SiC, untuk memastikan keseragaman dan kualiti pertumbuhan kristal, medan haba perlu dikawal dengan tepat. Ketidakseragaman kekonduksian terma bahan SiC akan membawa kepada ketidakstabilan taburan medan haba, yang seterusnya menjejaskan keseragaman dan kualiti pertumbuhan kristal. Peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC biasanya menggunakan kaedah pemendapan wap fizikal (PVT) atau kaedah pengangkutan fasa gas, yang memerlukan mengekalkan persekitaran suhu tinggi dalam ruang pertumbuhan dan merealisasikan pertumbuhan kristal dengan mengawal taburan suhu dengan tepat. Ketidakseragaman kekonduksian terma bahan SiC akan membawa kepada pengagihan suhu yang tidak seragam dalam ruang pertumbuhan, seterusnya menjejaskan proses pertumbuhan kristal, yang boleh menyebabkan kecacatan kristal atau kualiti kristal tidak seragam. Semasa pertumbuhan kristal tunggal SiC, adalah perlu untuk melakukan simulasi dinamik tiga dimensi dan analisis medan haba untuk lebih memahami perubahan undang-undang taburan suhu dan mengoptimumkan reka bentuk berdasarkan hasil simulasi. Disebabkan oleh ketidakseragaman kekonduksian terma bahan SiC, analisis simulasi ini mungkin dipengaruhi oleh tahap ralat tertentu, sekali gus menjejaskan kawalan tepat dan reka bentuk pengoptimuman medan haba.

2.2 Kesukaran peraturan perolakan di dalam peralatan

Semasa pertumbuhan kristal tunggal SiC, kawalan suhu yang ketat perlu dikekalkan untuk memastikan keseragaman dan ketulenan kristal. Fenomena perolakan di dalam peralatan boleh menyebabkan ketidakseragaman medan suhu, seterusnya menjejaskan kualiti kristal. Perolakan biasanya membentuk kecerunan suhu, mengakibatkan struktur tidak seragam pada permukaan kristal, yang seterusnya mempengaruhi prestasi dan penggunaan kristal. Kawalan perolakan yang baik boleh melaraskan kelajuan dan arah aliran gas, yang membantu mengurangkan ketidakseragaman permukaan kristal dan meningkatkan kecekapan pertumbuhan. Struktur geometri yang kompleks dan proses dinamik gas di dalam peralatan menjadikannya amat sukar untuk mengawal perolakan dengan tepat. Persekitaran suhu tinggi akan membawa kepada penurunan kecekapan pemindahan haba dan meningkatkan pembentukan kecerunan suhu di dalam peralatan, sekali gus menjejaskan keseragaman dan kualiti pertumbuhan kristal. Sesetengah gas menghakis boleh menjejaskan bahan dan elemen pemindahan haba di dalam peralatan, dengan itu menjejaskan kestabilan dan kebolehkawalan perolakan. Peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC biasanya mempunyai struktur yang kompleks dan pelbagai mekanisme pemindahan haba, seperti pemindahan haba sinaran, pemindahan haba perolakan dan pengaliran haba. Mekanisme pemindahan haba ini digabungkan antara satu sama lain, menjadikan peraturan perolakan lebih rumit, terutamanya apabila terdapat aliran berbilang fasa dan proses perubahan fasa di dalam peralatan, lebih sukar untuk memodelkan dan mengawal perolakan dengan tepat.

3 Perkara utama reka bentuk medan haba peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC

3.1 Pengagihan dan kawalan kuasa pemanasan

Dalam reka bentuk medan haba, mod pengedaran dan strategi kawalan kuasa pemanasan harus ditentukan mengikut parameter proses dan keperluan pertumbuhan kristal. Peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC menggunakan rod pemanasan grafit atau pemanas aruhan untuk pemanasan. Keseragaman dan kestabilan medan haba boleh dicapai dengan mereka bentuk susun atur dan pengagihan kuasa pemanas. Semasa pertumbuhan kristal tunggal SiC, keseragaman suhu mempunyai pengaruh penting terhadap kualiti kristal. Pengagihan kuasa pemanasan harus dapat memastikan keseragaman suhu dalam medan haba. Melalui simulasi berangka dan pengesahan eksperimen, hubungan antara kuasa pemanasan dan pengagihan suhu boleh ditentukan, dan kemudian skim pengagihan kuasa pemanasan boleh dioptimumkan untuk menjadikan pengagihan suhu dalam medan haba lebih seragam dan stabil. Semasa pertumbuhan kristal tunggal SiC, kawalan kuasa pemanasan harus dapat mencapai peraturan yang tepat dan kawalan suhu yang stabil. Algoritma kawalan automatik seperti pengawal PID atau pengawal kabur boleh digunakan untuk mencapai kawalan gelung tertutup kuasa pemanasan berdasarkan data suhu masa nyata yang disuap semula oleh penderia suhu untuk memastikan kestabilan dan keseragaman suhu dalam medan haba. Semasa pertumbuhan kristal tunggal SiC, saiz kuasa pemanasan secara langsung akan mempengaruhi kadar pertumbuhan kristal. Kawalan kuasa pemanasan harus dapat mencapai peraturan kadar pertumbuhan kristal yang tepat. Dengan menganalisis dan mengesahkan secara eksperimen hubungan antara kuasa pemanasan dan kadar pertumbuhan kristal, strategi kawalan kuasa pemanasan yang munasabah boleh ditentukan untuk mencapai kawalan tepat kadar pertumbuhan kristal. Semasa operasi peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC, kestabilan kuasa pemanasan mempunyai kesan penting ke atas kualiti pertumbuhan kristal. Peralatan pemanasan dan sistem kawalan yang stabil dan boleh dipercayai diperlukan untuk memastikan kestabilan dan kebolehpercayaan kuasa pemanasan. Peralatan pemanasan perlu sentiasa diselenggara dan diservis untuk menemui dan menyelesaikan kerosakan dan masalah dalam peralatan pemanasan tepat pada masanya untuk memastikan operasi normal peralatan dan output kuasa pemanasan yang stabil. Dengan mereka bentuk skim pengagihan kuasa pemanasan secara rasional, mempertimbangkan hubungan antara kuasa pemanasan dan pengagihan suhu, merealisasikan kawalan tepat kuasa pemanasan, dan memastikan kestabilan dan kebolehpercayaan kuasa pemanasan, kecekapan pertumbuhan dan kualiti kristal peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC boleh dipertingkatkan dengan berkesan, dan kemajuan dan pembangunan teknologi pertumbuhan kristal tunggal SiC boleh dipromosikan.

3.2 Reka bentuk dan pelarasan sistem kawalan suhu

Sebelum mereka bentuk sistem kawalan suhu, analisis simulasi berangka diperlukan untuk mensimulasikan dan mengira proses pemindahan haba seperti pengaliran haba, perolakan dan sinaran semasa pertumbuhan hablur tunggal SiC untuk mendapatkan taburan medan suhu. Melalui pengesahan percubaan, hasil simulasi berangka dibetulkan dan diselaraskan untuk menentukan parameter reka bentuk sistem kawalan suhu, seperti kuasa pemanasan, susun atur kawasan pemanasan dan lokasi sensor suhu. Semasa pertumbuhan kristal tunggal SiC, pemanasan rintangan atau pemanasan aruhan biasanya digunakan untuk pemanasan. Ia adalah perlu untuk memilih elemen pemanasan yang sesuai. Untuk pemanasan rintangan, wayar rintangan suhu tinggi atau relau rintangan boleh dipilih sebagai elemen pemanasan; untuk pemanasan aruhan, gegelung pemanas aruhan yang sesuai atau plat pemanas aruhan perlu dipilih. Apabila memilih elemen pemanasan, faktor seperti kecekapan pemanasan, keseragaman pemanasan, rintangan suhu tinggi, dan kesan ke atas kestabilan medan haba perlu dipertimbangkan. Reka bentuk sistem kawalan suhu perlu mempertimbangkan bukan sahaja kestabilan dan keseragaman suhu, tetapi juga ketepatan pelarasan suhu dan kelajuan tindak balas. Adalah perlu untuk mereka bentuk strategi kawalan suhu yang munasabah, seperti kawalan PID, kawalan kabur atau kawalan rangkaian saraf, untuk mencapai kawalan dan pelarasan suhu yang tepat. Ia juga perlu untuk mereka bentuk skema pelarasan suhu yang sesuai, seperti pelarasan pautan berbilang titik, pelarasan pampasan tempatan atau pelarasan maklum balas, untuk memastikan pengagihan suhu seragam dan stabil bagi keseluruhan medan haba. Untuk merealisasikan pemantauan dan kawalan suhu yang tepat semasa pertumbuhan kristal tunggal SiC, adalah perlu untuk mengguna pakai teknologi penderiaan suhu termaju dan peralatan pengawal. Anda boleh memilih penderia suhu berketepatan tinggi seperti termokopel, perintang haba atau termometer inframerah untuk memantau perubahan suhu di setiap kawasan dalam masa nyata, dan memilih peralatan pengawal suhu berprestasi tinggi, seperti pengawal PLC (lihat Rajah 1) atau pengawal DSP , untuk mencapai kawalan tepat dan pelarasan elemen pemanasan. Dengan menentukan parameter reka bentuk berdasarkan simulasi berangka dan kaedah pengesahan eksperimen, memilih kaedah pemanasan dan elemen pemanasan yang sesuai, mereka bentuk strategi kawalan suhu dan skema pelarasan yang munasabah, dan menggunakan teknologi pengesan suhu dan peralatan pengawal yang canggih, anda boleh mencapai kawalan dan pelarasan yang tepat dengan berkesan. suhu semasa pertumbuhan kristal tunggal SiC, dan meningkatkan kualiti dan hasil kristal tunggal.

3.3 Simulasi Dinamik Bendalir Pengiraan

Mewujudkan model yang tepat adalah asas untuk simulasi dinamik bendalir pengiraan (CFD). Peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC biasanya terdiri daripada relau grafit, sistem pemanasan aruhan, mangkuk pijar, gas pelindung, dll. Dalam proses pemodelan, adalah perlu untuk mempertimbangkan kerumitan struktur relau, ciri-ciri kaedah pemanasan , dan pengaruh pergerakan bahan pada medan aliran. Pemodelan tiga dimensi digunakan untuk membina semula bentuk geometri relau, mangkuk pijar, gegelung aruhan, dll. dengan tepat, dan mempertimbangkan parameter fizikal terma dan keadaan sempadan bahan, seperti kuasa pemanasan dan kadar aliran gas.

Dalam simulasi CFD, kaedah berangka yang biasa digunakan termasuk kaedah volum terhingga (FVM) dan kaedah unsur terhingga (FEM). Memandangkan ciri-ciri peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC, kaedah FVM biasanya digunakan untuk menyelesaikan aliran bendalir dan persamaan pengaliran haba. Dari segi meshing, adalah perlu untuk memberi perhatian kepada membahagikan kawasan utama, seperti permukaan pijar grafit dan kawasan pertumbuhan kristal tunggal, untuk memastikan ketepatan keputusan simulasi. Proses pertumbuhan kristal tunggal SiC melibatkan pelbagai proses fizikal, seperti pengaliran haba, pemindahan haba sinaran, pergerakan bendalir, dll. Mengikut situasi sebenar, model fizikal dan keadaan sempadan yang sesuai dipilih untuk simulasi. Sebagai contoh, mengambil kira pengaliran haba dan pemindahan haba sinaran antara mangkuk grafit dan kristal tunggal SiC, syarat sempadan pemindahan haba yang sesuai perlu ditetapkan; memandangkan pengaruh pemanasan aruhan pada pergerakan bendalir, syarat sempadan kuasa pemanasan aruhan perlu dipertimbangkan.

Sebelum simulasi CFD, adalah perlu untuk menetapkan langkah masa simulasi, kriteria penumpuan dan parameter lain, dan melakukan pengiraan. Semasa proses simulasi, adalah perlu untuk melaraskan parameter secara berterusan untuk memastikan kestabilan dan penumpuan hasil simulasi, dan pasca-proses hasil simulasi, seperti pengagihan medan suhu, pengagihan halaju bendalir, dll., untuk analisis dan pengoptimuman selanjutnya . Ketepatan keputusan simulasi disahkan dengan membandingkan dengan taburan medan suhu, kualiti kristal tunggal dan data lain dalam proses pertumbuhan sebenar. Mengikut keputusan simulasi, struktur relau, kaedah pemanasan dan aspek lain dioptimumkan untuk meningkatkan kecekapan pertumbuhan dan kualiti kristal tunggal peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC. Simulasi CFD bagi reka bentuk medan haba bagi peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC melibatkan pembentukan model yang tepat, memilih kaedah berangka yang sesuai dan meshing, menentukan model fizikal dan keadaan sempadan, menetapkan dan mengira parameter simulasi, dan mengesahkan dan mengoptimumkan hasil simulasi. Simulasi CFD yang saintifik dan munasabah boleh memberikan rujukan penting untuk reka bentuk dan pengoptimuman peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC, dan meningkatkan kecekapan pertumbuhan dan kualiti kristal tunggal.

3.4 Reka bentuk struktur relau

Memandangkan pertumbuhan kristal tunggal SiC memerlukan suhu tinggi, lengai kimia dan kekonduksian terma yang baik, bahan badan relau harus dipilih daripada bahan tahan suhu tinggi dan tahan kakisan, seperti seramik silikon karbida (SiC), grafit, dan lain-lain. Bahan SiC mempunyai kualiti yang sangat baik. kestabilan suhu tinggi dan lengai kimia, dan merupakan bahan badan relau yang ideal. Permukaan dinding dalaman badan relau hendaklah licin dan seragam untuk mengurangkan sinaran haba dan rintangan pemindahan haba dan meningkatkan kestabilan medan haba. Struktur relau hendaklah dipermudahkan sebanyak mungkin, dengan lapisan struktur yang lebih sedikit untuk mengelakkan kepekatan tegasan haba dan kecerunan suhu yang berlebihan. Struktur silinder atau segi empat tepat biasanya digunakan untuk memudahkan pengagihan seragam dan kestabilan medan haba. Elemen pemanasan tambahan seperti gegelung pemanasan dan perintang ditetapkan di dalam relau untuk meningkatkan keseragaman suhu dan kestabilan medan haba dan memastikan kualiti dan kecekapan pertumbuhan kristal tunggal. Kaedah pemanasan biasa termasuk pemanasan aruhan, pemanasan rintangan dan pemanasan sinaran. Dalam peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC, gabungan pemanasan aruhan dan pemanasan rintangan sering digunakan. Pemanasan aruhan digunakan terutamanya untuk pemanasan pantas untuk meningkatkan keseragaman suhu dan kestabilan medan haba; pemanasan rintangan digunakan untuk mengekalkan suhu malar dan kecerunan suhu untuk mengekalkan kestabilan proses pertumbuhan. Pemanasan sinaran boleh meningkatkan keseragaman suhu di dalam relau, tetapi ia biasanya digunakan sebagai kaedah pemanasan tambahan.

4. Kesimpulan

Dengan permintaan yang semakin meningkat untuk bahan SiC dalam elektronik kuasa, optoelektronik dan bidang lain, pembangunan teknologi pertumbuhan kristal tunggal SiC akan menjadi bidang utama inovasi saintifik dan teknologi. Sebagai teras peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC, reka bentuk medan haba akan terus mendapat perhatian yang meluas dan penyelidikan yang mendalam. Arah pembangunan masa depan termasuk mengoptimumkan lagi struktur medan haba dan sistem kawalan untuk meningkatkan kecekapan pengeluaran dan kualiti kristal tunggal; meneroka bahan baharu dan teknologi pemprosesan untuk meningkatkan kestabilan dan ketahanan peralatan; dan menyepadukan teknologi pintar untuk mencapai kawalan automatik dan pemantauan peralatan dari jauh.