Reka bentuk medan haba 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 mereka bentuk medan haba secara rasional 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 Ketiadaan kekonduksian terma 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 menjejaskan 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 mata utama reka bentuk medan terma peralatan pertumbuhan kristal tunggal

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 merancang sistem kawalan suhu, analisis simulasi berangka diperlukan untuk mensimulasikan dan mengira proses pemindahan haba seperti pengaliran haba, perolakan dan radiasi semasa pertumbuhan kristal tunggal SIC untuk mendapatkan pengagihan medan suhu. Melalui pengesahan eksperimen, hasil simulasi berangka diperbetulkan 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 induksi biasanya digunakan untuk pemanasan. 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 induksi, gegelung pemanasan induksi yang sesuai atau plat pemanasan induksi perlu dipilih. Apabila memilih elemen pemanasan, faktor -faktor seperti kecekapan pemanasan, keseragaman pemanasan, rintangan suhu tinggi, dan kesan terhadap 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 merekabentuk 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 merekabentuk skim pelarasan suhu yang sesuai, seperti pelarasan hubungan pelbagai titik, pelarasan pampasan tempatan atau pelarasan maklum balas, untuk memastikan pengedaran suhu seragam dan stabil seluruh medan terma. Untuk merealisasikan pemantauan dan kawalan yang tepat terhadap suhu semasa pertumbuhan kristal tunggal SIC, adalah perlu untuk mengadopsi teknologi penderiaan suhu maju dan peralatan pengawal. Anda boleh memilih sensor suhu ketepatan tinggi seperti termokopel, perintang terma 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 dan penyesuaian elemen pemanasan yang tepat. Dengan menentukan parameter reka bentuk berdasarkan kaedah simulasi berangka dan kaedah pengesahan eksperimen, memilih kaedah pemanasan yang sesuai dan elemen pemanasan, merancang strategi kawalan suhu yang munasabah dan skim pelarasan, dan menggunakan teknologi penderiaan suhu maju dan peralatan pengawal, anda dapat mencapai kawalan dan penyesuaian 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 konduksi haba. Dari segi meshing, adalah perlu untuk memberi perhatian kepada bidang utama yang membahagikan, seperti permukaan grafit grafit dan kawasan pertumbuhan kristal tunggal, untuk memastikan ketepatan hasil simulasi. Proses pertumbuhan kristal tunggal SIC melibatkan pelbagai proses fizikal, seperti pengaliran haba, pemindahan haba radiasi, pergerakan bendalir, dan lain -lain. Menurut keadaan sebenar, model fizikal yang sesuai dan keadaan sempadan dipilih untuk simulasi. Sebagai contoh, memandangkan pengaliran haba dan pemindahan haba radiasi di antara grafit yang boleh dilepaskan dan kristal tunggal SIC, keadaan sempadan pemindahan haba yang sesuai perlu ditetapkan; Memandangkan pengaruh pemanasan induksi pada pergerakan bendalir, keadaan sempadan kuasa pemanasan induksi perlu dipertimbangkan.

Sebelum simulasi CFD, adalah perlu untuk menetapkan langkah masa simulasi, kriteria konvergensi dan parameter lain, dan melakukan pengiraan. Semasa proses simulasi, perlu terus menyesuaikan parameter untuk memastikan kestabilan dan penumpuan hasil simulasi, dan pasca proses hasil simulasi, seperti pengagihan medan suhu, pengedaran halaju cecair, dan lain-lain, untuk analisis dan pengoptimuman selanjutnya . Ketepatan hasil simulasi disahkan dengan membandingkan dengan pengagihan medan suhu, kualiti kristal tunggal dan data lain dalam proses pertumbuhan sebenar. Menurut hasil simulasi, struktur relau, kaedah pemanasan dan aspek lain dioptimumkan untuk meningkatkan kecekapan pertumbuhan dan kualiti kristal tunggal peralatan pertumbuhan kristal tunggal SIC. Simulasi CFD reka bentuk medan terma peralatan pertumbuhan kristal tunggal SIC melibatkan penubuhan 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 saintifik dan munasabah dapat 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, inertness kimia dan kekonduksian terma yang baik, bahan badan relau harus dipilih dari bahan suhu tinggi dan bahan-bahan tahan kakisan, seperti seramik karbida silikon (sic), grafit, dan lain-lain. Kestabilan suhu tinggi dan inertness kimia, dan merupakan bahan badan relau yang ideal. Permukaan dinding dalaman badan relau harus licin dan seragam untuk mengurangkan sinaran haba dan rintangan pemindahan haba dan meningkatkan kestabilan medan haba. Struktur relau perlu dipermudahkan sebanyak mungkin, dengan lapisan struktur yang lebih sedikit untuk mengelakkan kepekatan tekanan haba dan kecerunan suhu yang berlebihan. Struktur silinder atau segi empat tepat biasanya digunakan untuk memudahkan pengedaran seragam dan kestabilan medan terma. Unsur -unsur 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 induksi, pemanasan rintangan dan pemanasan radiasi. Dalam peralatan pertumbuhan kristal tunggal, gabungan pemanasan induksi dan pemanasan rintangan sering digunakan. Pemanasan induksi terutamanya digunakan untuk pemanasan pesat untuk meningkatkan keseragaman suhu dan kestabilan medan terma; Pemanasan rintangan digunakan untuk mengekalkan kecerunan suhu dan suhu malar untuk mengekalkan kestabilan proses pertumbuhan. Pemanasan radiasi dapat meningkatkan keseragaman suhu di dalam relau, tetapi biasanya digunakan sebagai kaedah pemanasan tambahan.

4 Kesimpulan

Dengan permintaan yang semakin meningkat untuk bahan -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 luas dan penyelidikan mendalam. Arahan pembangunan masa depan termasuk mengoptimumkan lagi struktur medan terma dan sistem kawalan untuk meningkatkan kecekapan pengeluaran dan kualiti kristal tunggal; Meneroka bahan baru dan teknologi pemprosesan untuk meningkatkan kestabilan peralatan dan ketahanan; dan mengintegrasikan teknologi pintar untuk mencapai kawalan automatik dan pemantauan jarak jauh peralatan.