Termisk fältdesign för SiC Single Crystal Growth

1 Betydelsen av termisk fältdesign i SiC enkristalltillväxtutrustning

SiC enkristall är ett viktigt halvledarmaterial som används i stor utsträckning inom kraftelektronik, optoelektronik och högtemperaturapplikationer. Termisk fältdesign påverkar direkt kristalliseringsbeteendet, enhetligheten och föroreningskontrollen av kristallen och har ett avgörande inflytande på prestanda och produktion av SiC-enkristalltillväxtutrustning. Kvaliteten på SiC-enkristaller påverkar direkt dess prestanda och tillförlitlighet vid enhetstillverkning. Genom att rationellt utforma det termiska fältet kan enhetligheten i temperaturfördelningen under kristalltillväxt uppnås, termisk stress och termisk gradient i kristallen kan undvikas, och därigenom minska bildningshastigheten för kristalldefekter. Optimerad termisk fältdesign kan också förbättra kristallytans kvalitet och kristallisationshastighet, ytterligare förbättra kristallens strukturella integritet och kemiska renhet och säkerställa att den odlade SiC-enkristallen har goda elektriska och optiska egenskaper.

Tillväxthastigheten för SiC-enkristaller påverkar direkt produktionskostnaden och kapaciteten. Genom att rationellt utforma det termiska fältet kan temperaturgradienten och värmeflödesfördelningen under kristalltillväxtprocessen optimeras, och tillväxthastigheten för kristallen och den effektiva utnyttjandegraden av tillväxtområdet kan förbättras. Den termiska fältdesignen kan också minska energiförluster och materialspill under tillväxtprocessen, minska produktionskostnaderna och förbättra produktionseffektiviteten, och därigenom öka produktionen av SiC-enkristaller. SiC enkristalltillväxtutrustning kräver vanligtvis en stor mängd energiförsörjning och kylsystem, och en rationell utformning av det termiska fältet kan minska energiförbrukningen, minska energiförbrukningen och miljöutsläppen. Genom att optimera den termiska fältstrukturen och värmeflödesvägen kan energi maximeras, och spillvärme kan återvinnas för att förbättra energieffektiviteten och minska negativ påverkan på miljön.

2 Svårigheter i termisk fältdesign av SiC enkristalltillväxtutrustning

2.1 Olikformighet i värmeledningsförmåga hos material

SiC är ett mycket viktigt halvledarmaterial. Dess värmeledningsförmåga har egenskaperna för hög temperaturstabilitet och utmärkt värmeledningsförmåga, men dess värmeledningsförmåga har viss ojämnhet. I processen med SiC-enkristalltillväxt, för att säkerställa enhetligheten och kvaliteten på kristalltillväxten, måste det termiska fältet kontrolleras exakt. Olikformigheten i termisk ledningsförmåga hos SiC-material kommer att leda till instabilitet i termisk fältfördelning, vilket i sin tur påverkar enhetligheten och kvaliteten på kristalltillväxt. SiC-enkristalltillväxtutrustning använder vanligtvis fysisk ångavsättning (PVT) metod eller gasfastransportmetod, vilket kräver att en miljö med hög temperatur upprätthålls i tillväxtkammaren och realisera kristalltillväxt genom att exakt kontrollera temperaturfördelningen. Olikformigheten i värmeledningsförmågan hos SiC-material kommer att leda till ojämn temperaturfördelning i tillväxtkammaren, vilket påverkar kristalltillväxtprocessen, vilket kan orsaka kristalldefekter eller ojämn kristallkvalitet. Under tillväxten av SiC-enkristaller är det nödvändigt att utföra tredimensionell dynamisk simulering och analys av det termiska fältet för att bättre förstå den förändrade lagen om temperaturfördelning och optimera designen baserat på simuleringsresultaten. På grund av den olikformiga värmeledningsförmågan hos SiC-material kan dessa simuleringsanalyser påverkas av en viss grad av fel, vilket påverkar den exakta kontroll- och optimeringsdesignen av det termiska fältet.

2.2 Svårighet att reglera konvektion inuti utrustningen

Under tillväxten av SiC-enkristaller måste strikt temperaturkontroll upprätthållas för att säkerställa enhetligheten och renheten hos kristallerna. Konvektionsfenomenet inuti utrustningen kan orsaka ojämnhet i temperaturfältet och därigenom påverka kvaliteten på kristallerna. Konvektion bildar vanligtvis en temperaturgradient, vilket resulterar i en ojämn struktur på kristallytan, vilket i sin tur påverkar prestanda och applicering av kristallerna. Bra konvektionskontroll kan justera gasflödets hastighet och riktning, vilket hjälper till att minska ojämnheten hos kristallytan och förbättra tillväxteffektiviteten. Den komplexa geometriska strukturen och gasdynamiken inuti utrustningen gör det extremt svårt att noggrant kontrollera konvektionen. Hög temperaturmiljö kommer att leda till en minskning av värmeöverföringseffektiviteten och öka bildandet av temperaturgradient inuti utrustningen, vilket påverkar enhetligheten och kvaliteten på kristalltillväxten. Vissa frätande gaser kan påverka materialen och värmeöverföringselementen inuti utrustningen och därigenom påverka konvektionsstabiliteten och kontrollerbarheten. SiC enkristalltillväxtutrustning har vanligtvis en komplex struktur och flera värmeöverföringsmekanismer, såsom strålningsvärmeöverföring, konvektionsvärmeöverföring och värmeledning. Dessa värmeöverföringsmekanismer är kopplade till varandra, vilket gör konvektionsregleringen mer komplicerad, speciellt när det finns flerfasflödes- och fasändringsprocesser inuti utrustningen, är det svårare att exakt modellera och kontrollera konvektion.

3 Nyckelpunkter för termisk fältdesign av SiC enkristalltillväxtutrustning

3.1 Värmekraftsfördelning och styrning

I termisk fältdesign bör distributionsläget och styrstrategin för värmekraft bestämmas enligt processparametrarna och kraven för kristalltillväxt. SiC enkristalltillväxtutrustning använder grafitvärmestavar eller induktionsvärmare för uppvärmning. Det termiska fältets enhetlighet och stabilitet kan uppnås genom att designa värmarens layout och effektfördelning. Under tillväxten av SiC-enkristaller har temperaturlikformighet ett viktigt inflytande på kristallens kvalitet. Fördelningen av värmekraft bör kunna säkerställa en enhetlig temperatur i det termiska fältet. Genom numerisk simulering och experimentell verifiering kan förhållandet mellan värmeeffekt och temperaturfördelning bestämmas, och sedan kan värmekraftsfördelningsschemat optimeras för att göra temperaturfördelningen i det termiska fältet mer enhetlig och stabil. Under tillväxten av SiC-enkristaller bör styrningen av värmeeffekten kunna uppnå exakt reglering och stabil kontroll av temperaturen. Automatiska styralgoritmer som PID-regulator eller fuzzy-regulator kan användas för att uppnå sluten kretsstyrning av värmeeffekt baserat på temperaturdata i realtid som återkopplas av temperatursensorer för att säkerställa stabilitet och enhetlighet hos temperaturen i det termiska fältet. Under tillväxten av SiC-enkristaller kommer storleken på värmekraften att direkt påverka kristalltillväxthastigheten. Styrningen av värmeeffekten bör kunna uppnå exakt reglering av kristalltillväxthastigheten. Genom att analysera och experimentellt verifiera sambandet mellan värmeeffekt och kristalltillväxthastighet kan en rimlig värmeeffektstyrningsstrategi bestämmas för att uppnå exakt kontroll av kristalltillväxthastigheten. Under driften av SiC-enkristalltillväxtutrustning har värmekraftens stabilitet en viktig inverkan på kvaliteten på kristalltillväxten. Stabil och pålitlig värmeutrustning och styrsystem krävs för att säkerställa värmekraftens stabilitet och tillförlitlighet. Värmeutrustningen behöver regelbundet underhållas och servas för att i tid upptäcka och lösa fel och problem i värmeutrustningen för att säkerställa normal drift av utrustningen och stabil uteffekt av värmeeffekt. Genom att rationellt utforma distributionsschemat för värmekraft, beakta förhållandet mellan värmekraft och temperaturfördelning, realisera exakt kontroll av värmekraften och säkerställa värmekraftens stabilitet och tillförlitlighet, kan tillväxteffektiviteten och kristallkvaliteten hos SiC enkristalltillväxtutrustning effektivt förbättras, och framstegen och utvecklingen av SiC-enkristalltillväxtteknologi kan främjas.

3.2 Design och justering av temperaturkontrollsystem

Innan man designar temperaturkontrollsystemet krävs numerisk simuleringsanalys för att simulera och beräkna värmeöverföringsprocesserna såsom värmeledning, konvektion och strålning under tillväxten av SiC-enkristaller för att erhålla fördelningen av temperaturfältet. Genom experimentell verifiering korrigeras och justeras de numeriska simuleringsresultaten för att bestämma designparametrarna för temperaturkontrollsystemet, såsom värmeeffekt, uppvärmningsområdets layout och temperatursensorns placering. Under tillväxten av SiC-enkristaller används vanligtvis motståndsvärmning eller induktionsvärmning för uppvärmning. Det är nödvändigt att välja ett lämpligt värmeelement. För motståndsvärmning kan en högtemperaturmotståndstråd eller en motståndsugn väljas som värmeelement; för induktionsvärme måste en lämplig induktionsvärmeslinga eller induktionsvärmeplatta väljas. När du väljer ett värmeelement måste faktorer som värmeeffektivitet, värmelikformighet, hög temperaturbeständighet och inverkan på termisk fältstabilitet beaktas. Utformningen av temperaturkontrollsystemet behöver inte bara beakta temperaturens stabilitet och enhetlighet, utan också temperaturjusteringsnoggrannheten och svarshastigheten. Det är nödvändigt att utforma en rimlig temperaturkontrollstrategi, såsom PID-kontroll, fuzzy-kontroll eller neural nätverkskontroll, för att uppnå exakt kontroll och justering av temperaturen. Det är också nödvändigt att utforma ett lämpligt temperaturjusteringsschema, såsom flerpunktslänkjustering, lokal kompensationsjustering eller återkopplingsjustering, för att säkerställa enhetlig och stabil temperaturfördelning av hela termiska fältet. För att förverkliga den exakta övervakningen och kontrollen av temperaturen under tillväxten av SiC-enkristaller är det nödvändigt att anta avancerad temperaturavkänningsteknik och styrutrustning. Du kan välja temperatursensorer med hög precision som termoelement, termiska motstånd eller infraröda termometrar för att övervaka temperaturförändringarna i varje område i realtid, och välja högpresterande temperaturkontrollutrustning, som PLC-kontroller (se figur 1) eller DSP-kontroller , för att uppnå exakt styrning och justering av värmeelement. Genom att bestämma designparametrarna baserat på numerisk simulering och experimentella verifieringsmetoder, välja lämpliga uppvärmningsmetoder och värmeelement, designa rimliga temperaturregleringsstrategier och justeringsscheman och använda avancerad temperaturavkänningsteknik och styrutrustning, kan du effektivt uppnå exakt kontroll och justering av temperaturen under tillväxten av SiC-enkristaller, och förbättra kvaliteten och utbytet av enkelkristaller.

3.3 Computational Fluid Dynamics Simulering

Att etablera en korrekt modell är grunden för simulering av beräkningsvätskedynamik (CFD). SiC enkristalltillväxtutrustning består vanligtvis av en grafitugn, ett induktionsvärmesystem, en degel, en skyddsgas, etc. I modelleringsprocessen är det nödvändigt att överväga komplexiteten hos ugnsstrukturen, egenskaperna hos uppvärmningsmetoden och påverkan av materialrörelse på flödesfältet. Tredimensionell modellering används för att noggrant rekonstruera de geometriska formerna hos ugnen, degeln, induktionsspolen, etc., och beakta de termiska fysikaliska parametrarna och gränsförhållandena för materialet, såsom värmeeffekt och gasflöde.

I CFD-simulering inkluderar vanliga numeriska metoder den finita volymmetoden (FVM) och den finita elementmetoden (FEM). Med tanke på egenskaperna hos SiC-enkristalltillväxtutrustning används FVM-metoden i allmänhet för att lösa vätskeflödes- och värmeledningsekvationerna. När det gäller meshing är det nödvändigt att vara uppmärksam på att dela upp nyckelområden, såsom grafitdegelns yta och enkristalltillväxtområdet, för att säkerställa noggrannheten i simuleringsresultaten. Tillväxtprocessen för SiC enkristall involverar en mängd olika fysiska processer, såsom värmeledning, strålningsvärmeöverföring, vätskerörelse, etc. Beroende på den faktiska situationen väljs lämpliga fysiska modeller och randvillkor för simulering. Till exempel, med tanke på värmeledning och strålningsvärmeöverföring mellan grafitdegeln och SiC-enkristallen, måste lämpliga gränsvillkor för värmeöverföring fastställas; med tanke på induktionsuppvärmningens inverkan på vätskerörelsen måste gränsvillkoren för induktionsvärmeeffekt beaktas.

Innan CFD-simulering är det nödvändigt att ställa in simuleringstidssteget, konvergenskriterier och andra parametrar och utföra beräkningar. Under simuleringsprocessen är det nödvändigt att kontinuerligt justera parametrarna för att säkerställa stabiliteten och konvergensen av simuleringsresultaten, och efterbehandla simuleringsresultaten, såsom temperaturfältsfördelning, vätskehastighetsfördelning, etc., för vidare analys och optimering . Noggrannheten av simuleringsresultaten verifieras genom att jämföra med temperaturfältsfördelningen, enkristallkvalitet och andra data i den faktiska tillväxtprocessen. Enligt simuleringsresultaten är ugnsstrukturen, uppvärmningsmetoden och andra aspekter optimerade för att förbättra tillväxteffektiviteten och enkristallkvaliteten hos SiC-enkristalltillväxtutrustning. CFD-simulering av termisk fältdesign av SiC-enkristalltillväxtutrustning involverar upprättande av noggranna modeller, val av lämpliga numeriska metoder och meshing, bestämning av fysiska modeller och randvillkor, inställning och beräkning av simuleringsparametrar samt verifiering och optimering av simuleringsresultat. Vetenskaplig och rimlig CFD-simulering kan ge viktiga referenser för design och optimering av SiC enkristalltillväxtutrustning och förbättra tillväxteffektiviteten och enkristallkvaliteten.

3.4 Utformning av ugnsstruktur

Med tanke på att SiC-enkristalltillväxt kräver hög temperatur, kemisk tröghet och god värmeledningsförmåga, bör ugnskroppsmaterialet väljas från högtemperatur- och korrosionsbeständiga material, såsom kiselkarbidkeramik (SiC), grafit, etc. SiC-material har utmärkt hög temperaturstabilitet och kemisk tröghet, och är ett idealiskt ugnskroppsmaterial. Ugnskroppens inre väggyta bör vara slät och enhetlig för att minska värmestrålning och värmeöverföringsmotstånd och förbättra termisk fältstabilitet. Ugnsstrukturen bör förenklas så mycket som möjligt, med färre strukturella lager för att undvika termisk spänningskoncentration och överdriven temperaturgradient. En cylindrisk eller rektangulär struktur används vanligtvis för att underlätta enhetlig fördelning och stabilitet av det termiska fältet. Extra värmeelement såsom värmeslingor och motstånd är inställda inuti ugnen för att förbättra temperaturens enhetlighet och termisk fältstabilitet och säkerställa kvaliteten och effektiviteten hos enkristalltillväxt. Vanliga uppvärmningsmetoder inkluderar induktionsuppvärmning, motståndsuppvärmning och strålningsuppvärmning. I SiC enkristalltillväxtutrustning används ofta en kombination av induktionsuppvärmning och motståndsuppvärmning. Induktionsuppvärmning används huvudsakligen för snabb uppvärmning för att förbättra temperaturens enhetlighet och termisk fältstabilitet; motståndsuppvärmning används för att upprätthålla en konstant temperatur och temperaturgradient för att upprätthålla stabiliteten i tillväxtprocessen. Strålningsuppvärmning kan förbättra temperaturlikformigheten inuti ugnen, men den används vanligtvis som en extra uppvärmningsmetod.

4. Slutsats

Med den växande efterfrågan på SiC-material inom kraftelektronik, optoelektronik och andra områden kommer utvecklingen av SiC-enkristalltillväxtteknologi att bli ett nyckelområde för vetenskaplig och teknisk innovation. Som kärnan i SiC enkristalltillväxtutrustning kommer termisk fältdesign att fortsätta att få omfattande uppmärksamhet och djupgående forskning. Framtida utvecklingsriktningar inkluderar ytterligare optimering av termisk fältstruktur och kontrollsystem för att förbättra produktionseffektiviteten och enkristallkvaliteten; utforska nya material och bearbetningsteknik för att förbättra utrustningens stabilitet och hållbarhet; och integrera intelligent teknologi för att uppnå automatisk kontroll och fjärrövervakning av utrustning.