SIC Tek Kristal Böyüməsi üçün Termal Sahə Dizayn

1 SiC monokristal yetişdirmə avadanlığında istilik sahəsinin dizaynının əhəmiyyəti

SiC monokristal enerji elektronikası, optoelektronika və yüksək temperatur tətbiqlərində geniş istifadə olunan mühüm yarımkeçirici materialdır. İstilik sahəsinin dizaynı bilavasitə kristallaşma davranışına, kristalın vahidliyinə və çirklilik nəzarətinə təsir göstərir və SiC monokristal böyüməsi avadanlığının performansına və çıxışına həlledici təsir göstərir. SiC monokristalının keyfiyyəti cihaz istehsalında onun performansına və etibarlılığına birbaşa təsir göstərir. İstilik sahəsinin rasional layihələndirilməsi ilə kristalın böyüməsi zamanı temperaturun paylanmasının vahidliyinə nail olmaq, kristalda istilik gərginliyi və istilik qradiyentinin qarşısını almaq və bununla da kristal qüsurlarının əmələ gəlməsi sürətini azaltmaq olar. Optimallaşdırılmış istilik sahəsi dizaynı həmçinin kristal üz keyfiyyətini və kristallaşma dərəcəsini yaxşılaşdıra, kristalın struktur bütövlüyünü və kimyəvi təmizliyini daha da yaxşılaşdıra və böyüyən SiC tək kristalının yaxşı elektrik və optik xüsusiyyətlərə malik olmasını təmin edə bilər.

SiC monokristalının böyümə sürəti birbaşa istehsal dəyərinə və gücünə təsir göstərir. İstilik sahəsinin rasional layihələndirilməsi ilə kristalın böyüməsi prosesi zamanı temperatur qradiyenti və istilik axınının paylanması optimallaşdırıla bilər və kristalın böyümə sürəti və böyümə sahəsinin effektiv istifadə dərəcəsi yaxşılaşdırıla bilər. İstilik sahəsinin dizaynı həmçinin böyümə prosesi zamanı enerji itkisini və material tullantılarını azalda, istehsal xərclərini azalda və istehsal səmərəliliyini yaxşılaşdıra bilər və bununla da SiC monokristallarının məhsuldarlığını artıra bilər. SiC monokristal böyüməsi avadanlığı adətən çox miqdarda enerji təchizatı və soyutma sistemi tələb edir və istilik sahəsinin rasional dizaynı enerji istehlakını azalda, enerji istehlakını və ətraf mühitə tullantıları azalda bilər. İstilik sahəsinin strukturunu və istilik axını yolunu optimallaşdırmaqla enerji maksimuma çatdırıla bilər və enerji səmərəliliyini artırmaq və ətraf mühitə mənfi təsirləri azaltmaq üçün tullantı istilik təkrar emal edilə bilər.

2 SiC monokristal yetişdirmə avadanlığının istilik sahəsinin dizaynında çətinliklər

2.1 Materialların istilik keçiriciliyinin qeyri-bərabərliyi

SIC çox vacib bir yarımkeçirici materialdır. İstilik keçiriciliyinin yüksək temperatur sabitliyi və əla istilik keçiriciliyinin xüsusiyyətlərinə malikdir, lakin onun istilik keçiriciliyinin paylanması müəyyən olmayan qeyri-bərabərliyə malikdir. SIC vahid büllur artımı prosesində, kristal böyümənin vahidliyini və keyfiyyətini təmin etmək üçün istilik sahəsinin dəqiq nəzarət edilməsi lazımdır. SIC materiallarının istilik keçiriciliyinin qeyri-bərabərliyi, istilik sahəsinin paylanmasının qeyri-bərabərliyinə səbəb olacaq, bu da öz növbəsində kristal böyümənin keyfiyyətinə və keyfiyyətinə təsir göstərir. SIC tək kristal böyümə avadanlıqları ümumiyyətlə böyümə otağında yüksək temperatur mühitini qorumaq və temperaturun paylanmasını dəqiq nəzarət etməklə bülluralmaların həyata keçirilməsini tələb edən fiziki buxarlanma metodu və ya qaz fazası nəqliyyat metodu qəbul edir. SIC materiallarının istilik keçiriciliyinin vahidliyi, böyümə otağında qeyri-bərabər temperatur paylanmasına səbəb olacaq və bununla da büllur qüsurlarına və ya qeyri-bərabər kristal keyfiyyətinə səbəb ola biləcək büllur artım prosesinə təsir göstərəcəkdir. SIC vahid kristallarının böyüməsi zamanı temperaturun paylanması qanunu dəyişən və simulyasiya nəticələrinə əsaslanan dizaynı daha yaxşı anlamaq və dizaynın optimallaşdırmaq üçün istilik sahəsinin üçölçülü dinamik simulyasiyasını və təhlili aparmaq lazımdır. SIC materiallarının istilik keçiriciliyinin qeyri-bərabərliyi səbəbindən, bu simulyasiya təhlilləri müəyyən bir səhvdən təsirlənə bilər, beləliklə termal sahəsinin dəqiq nəzarət və optimallaşdırma dizaynına təsir göstərə bilər.

2.2 Avadanlıqların içərisində konveksiya tənzimləməsinin çətinliyi

SIC vahid kristallarının böyüməsi zamanı kristalların vahidliyini və saflığını təmin etmək üçün ciddi istiliyə nəzarət etmək lazımdır. Avadanlıqların içərisində konveksiya fenomeni temperatur sahəsinin qeyri-bərabərliyinə, bununla da kristalların keyfiyyətinə təsir göstərə bilər. Konveksiya ümumiyyətlə bir temperatur gradient təşkil edir, nəticədə kristal səthində vahid olmayan bir quruluş meydana gətirir, bu da öz növbəsində kristalların performansına və tətbiqinə təsir göstərir. Yaxşı konveksiya nəzarəti, büllur səthinin qeyri-bərabərliyini azaltmağa və böyümə səmərəliliyini yaxşılaşdırmağa kömək edən qaz axınının sürətini və istiqamətini tənzimləyə bilər. Avadanlıqların içərisindəki mürəkkəb həndəsi quruluş və qaz dinamikası prosesi konveksiyanı dəqiq idarə etmək olduqca çətinləşdirir. Yüksək temperatur mühiti istilik ötürmə səmərəliliyinin azalmasına səbəb olacaq və avadanlıqların içərisində temperatur gradientinin formalaşmasını artırmaqla, beləliklə kristal böyümənin keyfiyyətinə və keyfiyyətinə təsir göstərir. Bəzi aşındırıcı qazlar, avadanlıqların içərisindəki materiallar və istilik ötürmə elementlərinə təsir göstərə bilər, bununla da konveksiya və konveksiya nəzarət qabiliyyətinə təsir göstərir. SIC tək kristal böyümə avadanlıqları ümumiyyətlə mürəkkəb bir quruluşa və radiasiya istilik ötürmə, konveksiya istilik ötürmə və istilik keçiriciliyi kimi bir çox istilik ötürmə mexanizminə malikdir. Bu istilik ötürmə mexanizmləri bir-biri ilə birləşdirilir, konveksiya tənzimləməsi daha mürəkkəbləşərək, xüsusən də multiphase axını və faza dəyişikliyi prosesləri olduqda, konveksiya və nəzarət konveksiya etmək daha çətindir.

SIC vahid kristal böyümə avadanlıqlarının termal sahə dizaynının 3 əsas nöqtələri

3.1 İstilik enerjisinin paylanması və nəzarəti

İstilik sahəsinin layihələndirilməsində istilik gücünün paylanma rejimi və idarəetmə strategiyası proses parametrlərinə və kristal artımının tələblərinə uyğun olaraq müəyyən edilməlidir. SiC tək kristal artım avadanlığı isitmə üçün qrafit qızdırıcı çubuqlardan və ya induksiya qızdırıcılarından istifadə edir. İstilik sahəsinin vahidliyi və sabitliyi qızdırıcının yerləşdirilməsi və güc paylanmasının layihələndirilməsi ilə əldə edilə bilər. SiC monokristallarının böyüməsi zamanı temperaturun vahidliyi kristalın keyfiyyətinə mühüm təsir göstərir. İstilik gücünün paylanması istilik sahəsində temperaturun vahidliyini təmin edə bilməlidir. Rəqəmsal simulyasiya və eksperimental yoxlama vasitəsilə istilik gücü ilə temperatur paylanması arasındakı əlaqə müəyyən edilə bilər və sonra istilik sahəsində temperatur paylanmasının daha vahid və sabit olması üçün istilik enerjisinin paylanması sxemi optimallaşdırıla bilər. SiC monokristallarının böyüməsi zamanı istilik gücünə nəzarət temperaturun dəqiq tənzimlənməsinə və sabit nəzarətinə nail ola bilməlidir. PID nəzarətçi və ya qeyri-səlis tənzimləyici kimi avtomatik idarəetmə alqoritmləri, istilik sahəsində temperaturun sabitliyini və vahidliyini təmin etmək üçün temperatur sensorları tərəfindən verilən real vaxt temperatur məlumatlarına əsaslanan istilik gücünün qapalı dövrə nəzarətinə nail olmaq üçün istifadə edilə bilər. SiC monokristallarının böyüməsi zamanı istilik gücünün ölçüsü kristalın böyümə sürətinə birbaşa təsir edəcəkdir. İstilik gücünə nəzarət kristal artım sürətinin dəqiq tənzimlənməsinə nail ola bilməlidir. İstilik gücü və kristal böyümə sürəti arasındakı əlaqəni təhlil edərək və eksperimental olaraq yoxlayaraq, kristal artım sürətinə dəqiq nəzarətə nail olmaq üçün ağlabatan istilik gücünə nəzarət strategiyası müəyyən edilə bilər. SiC monokristal böyüməsi avadanlığının istismarı zamanı istilik gücünün sabitliyi kristal böyüməsinin keyfiyyətinə mühüm təsir göstərir. İstilik gücünün dayanıqlığını və etibarlılığını təmin etmək üçün sabit və etibarlı istilik avadanlığı və idarəetmə sistemləri tələb olunur. Avadanlıqların normal işləməsini və istilik gücünün sabit çıxışını təmin etmək üçün istilik avadanlığında nasazlıqları və problemləri vaxtında aşkar etmək və həll etmək üçün istilik avadanlığına müntəzəm texniki qulluq və texniki xidmət göstərilməlidir. İstilik gücünün paylanması sxemini rasional dizayn etməklə, istilik gücü ilə temperaturun paylanması arasındakı əlaqəni nəzərə alaraq, istilik gücünə dəqiq nəzarəti həyata keçirmək və istilik gücünün sabitliyini və etibarlılığını təmin etməklə, SiC monokristal böyüməsi avadanlığının böyümə səmərəliliyini və kristal keyfiyyətini təmin etmək olar. effektiv şəkildə təkmilləşdirilir və SiC tək kristal artım texnologiyasının tərəqqisi və inkişafı təşviq edilə bilər.

3.2 Temperaturun tənzimlənməsi sisteminin layihələndirilməsi və tənzimlənməsi

Temperaturun idarə edilməsi sistemini layihələşdirməzdən əvvəl, temperatur sahəsinin paylanmasını əldə etmək üçün SiC monokristallarının böyüməsi zamanı istilik keçiriciliyi, konveksiya və şüalanma kimi istilik ötürmə proseslərini simulyasiya etmək və hesablamaq üçün ədədi simulyasiya təhlili tələb olunur. Eksperimental yoxlama vasitəsilə rəqəmsal simulyasiya nəticələri istilik gücü, istilik sahəsinin yerləşdirilməsi və temperatur sensorunun yeri kimi temperatur nəzarət sisteminin dizayn parametrlərini müəyyən etmək üçün düzəldilir və tənzimlənir. SiC monokristallarının böyüməsi zamanı istilik üçün adətən müqavimətli qızdırma və ya induksiya ilə qızdırma istifadə olunur. Uyğun bir istilik elementini seçmək lazımdır. Müqavimətli isitmə üçün istilik elementi kimi yüksək temperatur müqavimətli tel və ya müqavimət sobası seçilə bilər; induksiya ilə isitmə üçün uyğun bir induksiya qızdırıcısı və ya induksiyalı qızdırıcı lövhə seçilməlidir. Qızdırıcı elementi seçərkən, istilik səmərəliliyi, istilik vahidliyi, yüksək temperatur müqaviməti və istilik sahəsinin sabitliyinə təsir kimi amillər nəzərə alınmalıdır. Temperatur nəzarət sisteminin dizaynı yalnız temperaturun sabitliyini və vahidliyini deyil, həm də temperaturun tənzimlənməsinin dəqiqliyini və reaksiya sürətini nəzərə almalıdır. Temperaturun dəqiq idarə edilməsinə və tənzimlənməsinə nail olmaq üçün PID nəzarəti, qeyri-səlis nəzarət və ya neyron şəbəkə nəzarəti kimi ağlabatan temperatur nəzarət strategiyasını tərtib etmək lazımdır. Bütün istilik sahəsinin vahid və sabit temperatur paylanmasını təmin etmək üçün çox nöqtəli əlaqə tənzimlənməsi, yerli kompensasiya tənzimlənməsi və ya əks əlaqənin tənzimlənməsi kimi uyğun temperaturun tənzimlənməsi sxemini tərtib etmək lazımdır. SiC monokristallarının böyüməsi zamanı temperaturun dəqiq monitorinqini və nəzarətini həyata keçirmək üçün qabaqcıl temperatur algılama texnologiyası və nəzarətçi avadanlıqlarını qəbul etmək lazımdır. Siz real vaxt rejimində hər bir ərazidə temperatur dəyişikliklərini izləmək üçün termocütlər, termal rezistorlar və ya infraqırmızı termometrlər kimi yüksək dəqiqlikli temperatur sensorlarını seçə və PLC nəzarətçisi (Şəkil 1-ə baxın) və ya DSP nəzarətçisi kimi yüksək performanslı temperatur tənzimləyicisi avadanlığını seçə bilərsiniz. , qızdırıcı elementlərin dəqiq idarə edilməsinə və tənzimlənməsinə nail olmaq. Rəqəmsal simulyasiya və eksperimental yoxlama metodlarına əsaslanan dizayn parametrlərini təyin etməklə, uyğun istilik üsullarını və qızdırıcı elementləri seçməklə, ağlabatan temperatur nəzarət strategiyalarını və tənzimləmə sxemlərini tərtib etməklə və qabaqcıl temperatur algılama texnologiyasından və tənzimləyici avadanlıqdan istifadə edərək, siz effektiv şəkildə dəqiq nəzarət və tənzimlənməsinə nail ola bilərsiniz. SiC monokristallarının böyüməsi zamanı temperaturu və tək kristalların keyfiyyətini və məhsuldarlığını yaxşılaşdırır.

3.3 Hesablama Mayeləri Dinamikasının Simulyasiyası

Dəqiq bir modelin yaradılması, hesablama maye dinamikası (CFD) simulyasiyası üçün əsasdır. SIC tək kristal böyümə avadanlıqları ümumiyyətlə bir qrafit sobası, bir induksiya istilik sistemi, çarpaz, qoruyucu bir qaz və s. və maddi hərəkətin axın sahəsindəki təsiri. Üç ölçülü modelləşdirmə, sobanın, çarmıx, induksiya bobinin və s. Bir həndəsi formalarını dəqiq şəkildə yenidən qurmaq və istilik güc və qaz axını dərəcəsi kimi istilik fiziki parametrlərini və sərhəd şərtlərini nəzərə alır.

CFD simulyasiyasında ümumi istifadə edilən ədədi üsullara sonlu həcm metodu (FVM) və sonlu elementlər metodu (FEM) daxildir. SiC monokristal artım avadanlığının xüsusiyyətlərini nəzərə alaraq, FVM metodu ümumiyyətlə maye axını və istilik keçirmə tənliklərini həll etmək üçün istifadə olunur. Meshing baxımından, simulyasiya nəticələrinin düzgünlüyünü təmin etmək üçün qrafit pota səthi və tək kristal böyümə sahəsi kimi əsas sahələrin bölünməsinə diqqət yetirmək lazımdır. SiC monokristalının böyümə prosesi istilik keçiriciliyi, radiasiyanın istilik ötürülməsi, mayenin hərəkəti və s. kimi müxtəlif fiziki prosesləri əhatə edir. Faktiki vəziyyətə uyğun olaraq, simulyasiya üçün müvafiq fiziki modellər və sərhəd şərtləri seçilir. Məsələn, qrafit tige ilə SiC monokristalı arasında istilik keçiriciliyi və radiasiya istilik ötürülməsi nəzərə alınmaqla, müvafiq istilik ötürmə sərhədi şərtləri müəyyən edilməlidir; induksiya qızdırmasının mayenin hərəkətinə təsirini nəzərə alaraq, induksiya isitmə gücünün sərhəd şərtlərini nəzərə almaq lazımdır.

CFD simulyasiyasından əvvəl, simulyasiya vaxtı addımı, yaxınlaşma meyarları və digər parametrləri təyin etmək və hesablamalar aparmaq lazımdır. Simulyasiya prosesi zamanı, simulyasiya nəticələrinin sabitliyini və yaxınlığını təmin etmək üçün parametrləri davamlı olaraq tənzimləmək və bu, temperatur sahəsinin paylanması, maye sürəti paylanması və s. Kimi analiz və optimallaşdırma üçün simulyasiya nəticələrini post-emal etmək üçün tənzimləmək lazımdır . Simulyasiya nəticələrinin düzgünlüyü, temperatur sahəsinin paylanması, vahid büllur keyfiyyəti və digər məlumatlar ilə digər məlumatlar ilə müqayisə etməklə təsdiqlənir. Simulyasiya nəticələrinə görə, soba quruluşu, istilik üsulu və digər aspektlər, böyümə səmərəliliyini və SIC vahid kristal böyümə avadanlıqlarının tək kristal keyfiyyətini artırmaq üçün optimallaşdırılmışdır. SIC vahid büllur böyümə avadanlıqlarının istilik sahəsinin dizaynının CFD simulyasiyası, dəqiq modellərin yaradılması, müvafiq ədədi metodlar və meshing, fiziki modelləri və sərhəd şərtlərini təyin etmək, simulyasiya parametrlərini təyin etmək və hesablamaq və simulyasiya nəticələrini yoxlamaq və optimallaşdırmaq. Elmi və ağlabatan CFD simulyasiyası, SIC tək kristal böyümə avadanlıqlarının dizaynı və optimallaşdırılması və böyümə səmərəliliyini və vahid kristal keyfiyyətini yaxşılaşdırmaq üçün vacib arayışlar təmin edə bilər.

3.4 soba quruluşu dizaynı

SiC monokristalının böyüməsinin yüksək temperatur, kimyəvi inertlik və yaxşı istilik keçiriciliyi tələb etdiyini nəzərə alaraq, soba korpusunun materialı yüksək temperatura və korroziyaya davamlı materiallardan, məsələn, silisium karbid keramika (SiC), qrafit və s. seçilməlidir. SiC materialı əla xüsusiyyətlərə malikdir. yüksək temperatur sabitliyi və kimyəvi təsirsizliyə malikdir və ideal soba gövdəsi materialıdır. Termal şüalanma və istilik ötürmə müqavimətini azaltmaq və istilik sahəsinin dayanıqlığını yaxşılaşdırmaq üçün soba gövdəsinin daxili divar səthi hamar və vahid olmalıdır. Ocağın strukturu mümkün qədər sadələşdirilməlidir, istilik gərginliyinin konsentrasiyası və həddindən artıq temperatur gradientindən qaçınmaq üçün daha az struktur təbəqəsi olmalıdır. İstilik sahəsinin vahid paylanmasını və sabitliyini asanlaşdırmaq üçün adətən silindrik və ya düzbucaqlı bir quruluş istifadə olunur. İstilik rulonları və rezistorlar kimi köməkçi qızdırıcı elementlər temperaturun vahidliyini və istilik sahəsinin sabitliyini yaxşılaşdırmaq və monokristal artımının keyfiyyətini və səmərəliliyini təmin etmək üçün soba daxilində quraşdırılır. Ümumi istilik üsullarına induksiya isitmə, müqavimət isitmə və radiasiya istilik daxildir. SiC monokristal böyüməsi avadanlıqlarında tez-tez induksiya isitmə və müqavimət isitmə birləşməsindən istifadə olunur. İnduksiya isitmə əsasən temperaturun vahidliyini və istilik sahəsinin sabitliyini yaxşılaşdırmaq üçün sürətli isitmə üçün istifadə olunur; müqavimət istiliyi böyümə prosesinin sabitliyini qorumaq üçün sabit temperatur və temperatur gradientini saxlamaq üçün istifadə olunur. Radiasiya ilə isitmə soba daxilində temperaturun vahidliyini yaxşılaşdıra bilər, lakin adətən köməkçi istilik üsulu kimi istifadə olunur.

4 nəticə

Elektrik enerjisi elektronikası, optoelektronika və digər sahələrdə, SIC vahid büllur artım texnologiyasının inkişafı, elmi və texnoloji yeniliyin əsas sahəsinə çevriləcək. SIC tək kristal böyümə avadanlıqlarının əsası olaraq, istilik sahəsi dizaynı geniş diqqət və dərin tədqiqat almağa davam edəcəkdir. Gələcək inkişaf istiqamətləri istehsal səmərəliliyini və vahid kristal keyfiyyətini yaxşılaşdırmaq üçün istilik sahəsindəki quruluşu və nəzarət sisteminin daha da optimallaşdırılması daxildir; Avadanlıq sabitliyini və davamlılığını artırmaq üçün yeni materiallar və emal texnologiyasını araşdırmaq; və avadanlıqların avtomatik idarəetmə və uzaqdan monitorinqi əldə etmək üçün ağıllı texnologiyanı inteqrasiya etmək.