SiC монокристалды өсуіне арналған жылу өрісінің дизайны

1 SiC монокристалды өсіретін жабдықта жылу өрісін жобалаудың маңыздылығы

SiC монокристалы қуатты электроникада, оптоэлектроникада және жоғары температуралық қолданбаларда кеңінен қолданылатын маңызды жартылай өткізгіш материал болып табылады. Жылу өрісінің дизайны кристалдану тәртібіне, кристалдың біркелкілігі мен қоспасын бақылауға тікелей әсер етеді және SiC монокристалды өсіретін жабдықтың өнімділігі мен шығысына шешуші әсер етеді. SiC монокристалының сапасы оның өнімділігі мен құрылғы өндірісіндегі сенімділігіне тікелей әсер етеді. Жылу өрісін ұтымды жобалау арқылы кристалдардың өсуі кезінде температураның таралуының біркелкілігіне қол жеткізуге болады, кристалдағы термиялық кернеу мен термиялық градиентті болдырмауға болады, осылайша кристалдық ақаулардың пайда болу жылдамдығын төмендетуге болады. Оңтайландырылған жылу өрісінің дизайны сонымен қатар кристалл бетінің сапасы мен кристалдану жылдамдығын жақсартады, кристалдың құрылымдық тұтастығы мен химиялық тазалығын одан әрі жақсартады және өсірілген SiC монокристалының жақсы электрлік және оптикалық қасиеттерге ие болуын қамтамасыз етеді.

ӘЖК-нің біртұтас кристаллының өсу қарқыны өндіріс құны мен сыйымдылығына тікелей әсер етеді. Жылу өрісін ұтымды жобалау арқылы, кристалл өсу процесінде температура градиенті мен жылу ағынын таратуды оңтайландыруға болады, ал кристаллдың өсу қарқыны және өсу аймағының тиімді мөлшерлемесі жетілдірілуі мүмкін. Жылу дизайнының дизайны өсу процесінде энергияның жоғалуы мен материалдық қалдықтарын азайтуға, өндіріс шығындарын азайтуға және өндіріс тиімділігін арттыруға, осылайша SIC біртұтас кристалдарының шығарылуын арттыра алады. SIC бірыңғай кристалды өсу жабдығы, әдетте, энергиямен жабдықтау және салқындату жүйесінің көп мөлшерін талап етеді және жылу өрісін ұтымды жобалау энергияны тұтынуды, энергия тұтынуды және қоршаған ортаға эмиссияларды азайтуға мүмкіндік береді. Жылу өрісінің құрылымын және жылу ағынын оңтайландыру арқылы энергияның максималды болуы мүмкін, ал қалдықтарды энергия тиімділігін арттыруға және қоршаған ортаға жағымсыз әсерді азайту үшін қайта өңдеуге болады.

SIC бірыңғай кристалды өсу жабдықтарының жылу дизайнындағы 2 қиындық

2.1 Материалдардың жылу өткізгіштігінің біркелкі еместігі

СИК - бұл өте маңызды жартылай өткізгіш материал. Оның жылу өткізгіштігі жоғары температуралық тұрақтылық пен керемет термиялық өткізгіштік сипаттамаларға ие, бірақ оның жылу өткізгіштігін тарату белгілі біркелкілікке ие. SIC бірыңғай кристалды өсуі процесінде кристалды өсудің біркелкілігі мен сапасын қамтамасыз ету үшін жылу өрісіне дәл бақылау қажет. SIC материалдарының жылу өткізгіштігінің біркелкі еместігі жылу өрісін таратудың тұрақсыздығына әкеледі, бұл өз кезегінде кристалл өсуінің біркелкілігіне және сапасына әсер етеді. SIC бірыңғай кристалды өсу жабдықтары, әдетте, дене бітімін (PVT) немесе газ фазалық көлігі әдісін қолданады, бұл өсу камерасында жоғары температуралы ортаны ұстап тұруды және температураны таратуды дәл бақылауды талап етеді. SIC материалдарының жылу өткізгіштігінің біркелкі еместігі өсу палатасындағы температураның біркелкі таралуына әкеледі, яғни кристаллдық ақауларға немесе біркелкі емес кристаллдың сапасына әсер етуі мүмкін. SIC бірыңғай кристалдарының өсуі кезінде температураны бөлудің өзгеруіне және модельдеу нәтижелері бойынша дизайнды оңтайландыру үшін жылу өрісін үш өлшемді динамикалық модельдеу және талдау жүргізу қажет. SIC материалдарының жылу еместігінің біркелкілігіне байланысты, бұл модельдеуге арналған осы модельдеулер белгілі бір қателікке әсер етуі мүмкін, осылайша белгілі бір дәрежеде әсер етуі мүмкін, осылайша жылу өрісін дәл бақылауға және оңтайландыруға әсер етеді.

2.2 Жабдық ішіндегі конвекцияны реттеудің қиындығы

SiC монокристалдарының өсуі кезінде кристалдардың біркелкілігі мен тазалығын қамтамасыз ету үшін температураны қатаң бақылау қажет. Жабдық ішіндегі конвекция құбылысы температура өрісінің біркелкі еместігін тудыруы мүмкін, осылайша кристалдардың сапасына әсер етеді. Конвекция әдетте температура градиентін құрайды, нәтижесінде кристалдық бетінде біркелкі емес құрылым пайда болады, бұл өз кезегінде кристалдардың өнімділігі мен қолданылуына әсер етеді. Жақсы конвекцияны басқару газ ағынының жылдамдығы мен бағытын реттей алады, бұл кристалдық беттің біркелкі еместігін азайтуға және өсу тиімділігін арттыруға көмектеседі. Жабдықтың ішіндегі күрделі геометриялық құрылым мен газ динамикалық процесі конвекцияны дәл басқаруды өте қиындатады. Жоғары температура ортасы жылу беру тиімділігінің төмендеуіне әкеледі және жабдықтың ішіндегі температура градиентінің пайда болуын арттырады, осылайша кристалдардың өсуінің біркелкілігі мен сапасына әсер етеді. Кейбір коррозиялық газдар жабдықтың ішіндегі материалдарға және жылу тасымалдағыш элементтерге әсер етуі мүмкін, осылайша конвекцияның тұрақтылығы мен реттелуіне әсер етеді. SiC монокристалды өсіру жабдығы әдетте күрделі құрылымға және радиациялық жылу беру, конвекциялық жылу беру және жылу өткізгіштік сияқты бірнеше жылу беру механизмдеріне ие. Бұл жылу беру механизмдері бір-бірімен қосылып, конвекцияны реттеуді күрделендіреді, әсіресе жабдықтың ішінде көп фазалы ағын және фазалық өзгерістер процестері болған кезде конвекцияны дәл модельдеу және басқару қиынырақ.

SIC бірыңғай кристалды өсу жабдықтарының жылу өрісінің негізгі нүктелері

3.1 Жылыту қуатын бөлу және басқару

Жылу өрісін жобалауда жылу қуатын тарату режимі мен басқару стратегиясы процесс параметрлері мен кристалдардың өсу талаптарына сәйкес анықталуы керек. SiC монокристалды өсіру жабдығы жылыту үшін графит жылыту таяқшаларын немесе индукциялық қыздырғыштарды пайдаланады. Жылу өрісінің біркелкілігі мен тұрақтылығына жылытқыштың орналасуын және қуатын бөлуді жобалау арқылы қол жеткізуге болады. SiC монокристалдарының өсуі кезінде температураның біркелкілігі кристалдың сапасына маңызды әсер етеді. Жылу қуатын бөлу жылу өрісіндегі температураның біркелкілігін қамтамасыз етуге қабілетті болуы керек. Сандық модельдеу және эксперименталды тексеру арқылы жылу қуаты мен температураны бөлу арасындағы байланысты анықтауға болады, содан кейін жылу өрісіндегі температураның таралуын біркелкі және тұрақты ету үшін жылу қуатын бөлу схемасын оңтайландыруға болады. SiC монокристалдарының өсуі кезінде қыздыру қуатын бақылау температураны дәл реттеуге және тұрақты бақылауға қол жеткізуі керек. PID контроллері немесе анық емес контроллер сияқты автоматты басқару алгоритмдерін жылу өрісіндегі температураның тұрақтылығы мен біркелкілігін қамтамасыз ету үшін температура сенсорларымен қайтарылатын нақты уақыт режиміндегі температура деректеріне негізделген жылыту қуатын жабық циклді басқаруға қол жеткізу үшін пайдалануға болады. SiC монокристалдарының өсуі кезінде қыздыру қуатының мөлшері кристалдардың өсу жылдамдығына тікелей әсер етеді. Жылыту қуатын басқару кристалдардың өсу жылдамдығын дәл реттеуге қол жеткізуі керек. Жылыту қуаты мен кристалдардың өсу жылдамдығы арасындағы байланысты талдау және эксперименттік тексеру арқылы кристалдардың өсу жылдамдығын дәл бақылауға қол жеткізу үшін жылыту қуатын басқарудың ақылға қонымды стратегиясын анықтауға болады. SiC монокристалды өсіретін жабдықты пайдалану кезінде қыздыру қуатының тұрақтылығы кристалдардың өсу сапасына маңызды әсер етеді. Жылу қуатының тұрақтылығы мен сенімділігін қамтамасыз ету үшін тұрақты және сенімді жылу жабдықтары мен басқару жүйелері қажет. Жылыту жабдығының қалыпты жұмысын және жылу қуатының тұрақты шығуын қамтамасыз ету үшін жылыту жабдығының ақаулары мен ақауларын уақтылы анықтау және жою үшін жылу жабдықтарына үнемі техникалық қызмет көрсету және қызмет көрсету қажет. Жылу қуатын бөлу схемасын ұтымды жобалау, жылу қуаты мен температураны бөлу арасындағы байланысты ескере отырып, жылу қуатын дәл бақылауды жүзеге асыру және жылу қуатының тұрақтылығы мен сенімділігін қамтамасыз ету арқылы SiC монокристалды өсу жабдығының өсу тиімділігі мен кристалдық сапасын қамтамасыз етуге болады. тиімді түрде жетілдіріліп, SiC монокристалды өсіру технологиясының прогрессі мен дамуын ілгерілетуге болады.

3.2 Температураны реттеу жүйесін жобалау және реттеу

Температураны басқару жүйесін жобалау алдында, температура өрісінің таралуын алу үшін жылу өткізгіштік, конвекция және сәулелену процестерін модельдеу және есептеу үшін сандық модельдеу қажет. Эксперименттік тексеру арқылы сандық модельдеу нәтижелері, температураны басқару жүйесінің дизайн параметрлерін, мысалы, қыздыру қуаты, жылыту аймағының орналасуы және температура сенсорлық орналасуы. SIC бірыңғай кристалдарының өсуінде, қарсылықпен қыздыру немесе индукциялық жылу әдетте қыздыру үшін қолданылады. Жақсы қыздыру элементін таңдау керек. Қарсылық қыздыру үшін, жоғары температуралы төзімділік сымы немесе резистентті пешті қыздыру элементі ретінде таңдауға болады; Индукциялық қыздыру үшін қолайлы индукциялық жылыту катушкасы немесе индукциялық жылыту табағын таңдау керек. Қыздыру элементін таңдаған кезде, жылу тиімділігі, мысалы, қыздырудың тиімділігі, қыздыруға төзімділігі, жоғары температураға төзімділігі және жылу өрісінің тұрақтылығына әсер етуі керек. Температураны басқару жүйесінің дизайны температураның тұрақтылығы мен біркелкілігін ғана емес, сонымен қатар температураны реттеудің дәлдігі мен жауап беру жылдамдығын да ескеруі керек. Температураны бақылау, анық емес басқару, сондай-ақ температураны басқару, мысалы, температураны басқару, сондай-ақ температураны дәл басқару және реттеу үшін дизайн жасау қажет. Сондай-ақ, бүкіл термиялық өрістің біркелкі және тұрақты температурасын қамтамасыз ету үшін, температураны реттеу, жергілікті компенсацияны реттеу, жергілікті өтемақы реттеуі немесе кері байланыс орнату және кері байланыс орнату, жергілікті жылу өрісінің біркелкі және тұрақты таралуын қамтамасыз ету үшін қажетті температураны реттеу схемасын жасау қажет. Дәл осы мониторингті және SIC бірыңғай кристалдарының өсу кезіндегі температураны бақылау үшін, температураның жетілдірілген технологиясы мен контроллер жабдықтарын қолдану қажет. Сіз нақты уақытта температураның өзгеруін бақылау үшін термопаралар, жылу резисторлары, жылу резисторлары немесе инфрақызыл термометрлер сияқты жоғары дәлдік датчиктерін таңдай аласыз және PLC контроллері сияқты өнімділігі жоғары контроллер жабдығын таңдаңыз (1-суретті қараңыз) немесе DSP контроллері , жылу элементтерін дәл бақылауға және реттеуге қол жеткізу үшін. Сандық модельдеу және эксперименттік тексеру әдістеріне негізделген дизайн параметрлерін, қыздыру әдістері мен қыздыру элементтерін таңдау арқылы, температураны бақылаудың ақылға қонымды стратегиялары мен реттеу схемаларын жобалайды және жетілдірілген температураны анықтауға және контроллер жабдықтарын пайдалануға, сіз нақты бақылауға және түзетуге қол жеткізе аласыз Біртекті кристалдардың өсу кезіндегі температура және бір кристалдардың сапасы мен өнімділігін жақсартыңыз.

3.3 Есептік сұйықтықтардың динамикасын модельдеу

Дәл үлгіні белгілеу - есептеу сұйықтығының динамикасы (CFD) модельдеу үшін негіз болып табылады. SIC бірыңғай кристалды өсу жабдығы әдетте графит пеші, индукциялық жылу жүйесі, кристрант, қорғаныс газы және т.б. модельдеу процесінде, пештің құрылымының күрделілігін, жылыту әдісінің ерекшелігін ескеру қажет , және материалдық қозғалыстың ағын алаңына әсері. Үш өлшемді модельдеу пештің, кресалды, индукциялық катушканың геометриялық пішіндерін дәл қалпына келтіру үшін қолданылады, сонымен қатар жылу энергиясының жылу физикалық параметрлері мен жылу энергиясы мен газ шығыны сияқты шекаралық шарттарды қарастырады.

CFD модельдеуінде жиі қолданылатын сандық әдістерге соңғы көлем әдісі (FVM) және соңғы элементтер әдісі (FEM) жатады. SiC монокристалды өсіретін жабдықтың сипаттамаларын ескере отырып, FVM әдісі әдетте сұйықтық ағыны мен жылу өткізгіштік теңдеулерін шешу үшін қолданылады. Торлау тұрғысынан модельдеу нәтижелерінің дәлдігін қамтамасыз ету үшін графит тигель беті және монокристалды өсу аймағы сияқты негізгі аймақтарды бөлуге назар аудару қажет. SiC монокристалының өсу процесі әртүрлі физикалық процестерді қамтиды, мысалы, жылу өткізгіштік, радиациялық жылу алмасу, сұйықтық қозғалысы және т.б. Нақты жағдайға сәйкес модельдеу үшін сәйкес физикалық модельдер мен шекаралық шарттар таңдалады. Мысалы, графитті тигель мен SiC монокристалы арасындағы жылу өткізгіштік пен сәулеленудің жылу алмасуын ескере отырып, сәйкес жылу алмасу шекаралық шарттарын орнату қажет; индукциялық қыздырудың сұйықтық қозғалысына әсерін ескере отырып, индукциялық қыздыру қуатының шекаралық шарттарын ескеру қажет.

CFD модельдеу алдында модельдеу уақытының қадамын, конвергенция критерийлерін және басқа параметрлерді орнату және есептеулерді орындау қажет. Модельдеу процесі кезінде модельдеу нәтижелерінің тұрақтылығы мен жақындасуын қамтамасыз ету үшін параметрлерді үздіксіз реттеу қажет, ал әрі қарай талдау және оңтайландыру үшін температура өрісінің таралуы, сұйықтық жылдамдығының таралуы және т.б. сияқты модельдеу нәтижелерін кейінгі өңдеу қажет. . Модельдеу нәтижелерінің дәлдігі температура өрісінің таралуымен, монокристалдық сапасымен және нақты өсу процесіндегі басқа деректермен салыстыру арқылы тексеріледі. Модельдеу нәтижелеріне сәйкес пештің құрылымы, қыздыру әдісі және басқа аспектілер SiC монокристалды өсіру жабдығының өсу тиімділігі мен монокристалдық сапасын жақсарту үшін оңтайландырылған. SiC монокристалды өсу жабдығының жылу өрісінің дизайнын CFD модельдеу дәл үлгілерді құруды, сәйкес сандық әдістерді және торларды таңдауды, физикалық модельдер мен шекаралық шарттарды анықтауды, модельдеу параметрлерін орнатуды және есептеуді, модельдеу нәтижелерін тексеруді және оңтайландыруды қамтиды. Ғылыми және ақылға қонымды CFD модельдеу SiC монокристалды өсу жабдығын жобалау және оңтайландыру үшін маңызды сілтемелерді қамтамасыз ете алады және өсу тиімділігі мен монокристалдық сапасын жақсартады.

3.4 Пештің құрылымын жобалау

Бірыңғай кристалды өсу жоғары температураны, химиялық инерстерді және жақсы жылу өткізгіштігін қажет етеді, пештің дене материалы жоғары температура мен коррозияға төзімді материалдардан, мысалы, кремний карбид керамикасы (SIC), графит және т.б., SIC материалы өте жақсы Жоғары температураның жоғары тұрақтылығы және химиялық инерстері, және идеалды пештің дене материалы. Пештің ішкі беткі қабаты жылу радиациясы мен жылу беру кедергісін азайту және жылу өрісінің тұрақтылығын арттыру үшін тегіс және біркелкі болуы керек. Пештің құрылымы мүмкіндігінше жеңілдетілуі керек, олар термиялық стресстің концентрациясын және шамадан тыс температуралық градиенттен аулақ болуға мүмкіндік береді. Цилиндрлік немесе тікбұрышты құрылым, әдетте, жылу өрісінің біркелкі таралуын және тұрақтылығын жеңілдету үшін қолданылады. Жылыту катушкалары мен резисторлар сияқты қосалқы жылыту элементтері пештің ішіне температураның біркелкілігі мен жылу өрісінің тұрақтылығын арттыру және бірыңғай кристалл өсуінің сапасы мен тиімділігін қамтамасыз ету үшін орнатылады. Жалпы жылыту әдістеріне индукциялық жылыту, қарсылық ыстықты жылыту және радиациялық жылыту кіреді. SIC бірыңғай кристалды өсу жабдықтарында индукциялық жылыту және қарсылық қызуының үйлесімі жиі қолданылады. Индукциялық қыздыру негізінен тез қыздыру үшін қолданылады, бұл температураның біркелкілігін және жылу өрісінің тұрақтылығын жақсарту үшін қолданылады; Қарсылық жылыту өсу процесінің тұрақтылығын сақтау үшін тұрақты температура мен температура градиациясын ұстап тұру үшін қолданылады. Радиациялық қыздыру пеш ішіндегі температура біркелкілігін жақсарта алады, бірақ ол әдетте қосалқы жылыту әдісі ретінде қолданылады.

4 қорытынды

Электроника, оптоэлектроника және басқа салалардағы SIC материалдарына сұраныс өсіп, SIC бірыңғай кристалды өсу технологиясын дамыту ғылыми-технологиялық инновацияның негізгі бағыты болады. SIC бірыңғай кристалды өсу жабдықтарының өзегі, жылу доптарының дизайны кеңірек және терең зерттеулер жүргізуді жалғастырады. Болашақ даму бағыттары жылу өрісінің құрылымы мен басқару жүйесін одан әрі оңтайландыру және өндіріс тиімділігі мен бірыңғай кристалл сапасын жақсарту үшін; жабдықтың тұрақтылығы мен беріктігін жақсарту үшін жаңа материалдар мен өңдеу технологиясын зерттеу; және интеллектуалды технологияны автоматтандыруға және жабдықтың қашықтықтан бақылауына интеграциялау.