Thermal Field Design para sa SiC Single Crystal Growth

1 Kahalagahan ng disenyo ng thermal field sa SiC single crystal growth equipment

Ang solong kristal ng SiC ay isang mahalagang materyal na semiconductor, na malawakang ginagamit sa mga power electronics, optoelectronics at mga application na may mataas na temperatura. Ang disenyo ng thermal field ay direktang nakakaapekto sa pag-uugali ng pagkikristal, pagkakapareho at kontrol ng karumihan ng kristal, at may mapagpasyang impluwensya sa pagganap at output ng SiC single crystal growth equipment. Ang kalidad ng SiC solong kristal ay direktang nakakaapekto sa pagganap at pagiging maaasahan nito sa paggawa ng device. Sa pamamagitan ng makatwirang pagdidisenyo ng thermal field, ang pagkakapareho ng pamamahagi ng temperatura sa panahon ng paglaki ng kristal ay maaaring makamit, ang thermal stress at thermal gradient sa kristal ay maiiwasan, sa gayon ay binabawasan ang rate ng pagbuo ng mga depekto ng kristal. Ang na-optimize na disenyo ng thermal field ay maaari ring mapabuti ang kalidad ng mukha ng kristal at rate ng pagkikristal, higit na mapabuti ang integridad ng istruktura at kadalisayan ng kemikal ng kristal, at matiyak na ang lumaki na solong kristal ng SiC ay may mahusay na mga katangian ng elektrikal at optical.

Ang rate ng paglago ng SiC solong kristal ay direktang nakakaapekto sa gastos at kapasidad ng produksyon. Sa pamamagitan ng makatwirang pagdidisenyo ng thermal field, ang gradient ng temperatura at pamamahagi ng daloy ng init sa panahon ng proseso ng paglaki ng kristal ay maaaring ma-optimize, at ang rate ng paglago ng kristal at ang epektibong rate ng paggamit ng lugar ng paglago ay maaaring mapabuti. Ang disenyo ng thermal field ay maaari ring bawasan ang pagkawala ng enerhiya at materyal na basura sa panahon ng proseso ng paglago, bawasan ang mga gastos sa produksyon, at pagbutihin ang kahusayan sa produksyon, at sa gayon ay tumataas ang output ng SiC single crystals. Ang SiC single crystal growth equipment ay karaniwang nangangailangan ng malaking halaga ng supply ng enerhiya at sistema ng paglamig, at ang makatwirang pagdidisenyo ng thermal field ay maaaring mabawasan ang pagkonsumo ng enerhiya, bawasan ang pagkonsumo ng enerhiya at mga emisyon sa kapaligiran. Sa pamamagitan ng pag-optimize sa istraktura ng thermal field at landas ng daloy ng init, maaaring ma-maximize ang enerhiya, at maaaring i-recycle ang basurang init upang mapabuti ang kahusayan ng enerhiya at mabawasan ang mga negatibong epekto sa kapaligiran.

2 Mga kahirapan sa disenyo ng thermal field ng SiC single crystal growth equipment

2.1 Hindi pagkakapareho ng thermal conductivity ng mga materyales

Ang SiC ay isang napakahalagang materyal na semiconductor. Ang thermal conductivity nito ay may mga katangian ng mataas na temperatura na katatagan at mahusay na thermal conductivity, ngunit ang thermal conductivity distribution nito ay may tiyak na hindi pagkakapareho. Sa proseso ng paglaki ng solong kristal ng SiC, upang matiyak ang pagkakapareho at kalidad ng paglaki ng kristal, ang thermal field ay kailangang tumpak na kontrolin. Ang hindi pagkakapareho ng thermal conductivity ng mga materyales ng SiC ay hahantong sa kawalang-tatag ng pamamahagi ng thermal field, na nakakaapekto naman sa pagkakapareho at kalidad ng paglaki ng kristal. Ang SiC single crystal growth equipment ay karaniwang gumagamit ng physical vapor deposition (PVT) na paraan o gas phase transport method, na nangangailangan ng pagpapanatili ng mataas na temperatura na kapaligiran sa growth chamber at pagsasakatuparan ng crystal growth sa pamamagitan ng tumpak na pagkontrol sa pamamahagi ng temperatura. Ang hindi pagkakapareho ng thermal conductivity ng mga materyales ng SiC ay hahantong sa hindi pare-parehong pamamahagi ng temperatura sa silid ng paglago, sa gayon ay makakaapekto sa proseso ng paglaki ng kristal, na maaaring magdulot ng mga depekto sa kristal o hindi pare-parehong kalidad ng kristal. Sa panahon ng paglaki ng mga solong kristal ng SiC, kinakailangan na magsagawa ng three-dimensional na dynamic na simulation at pagsusuri ng thermal field upang mas maunawaan ang pagbabago ng batas ng pamamahagi ng temperatura at i-optimize ang disenyo batay sa mga resulta ng simulation. Dahil sa hindi pagkakapareho ng thermal conductivity ng mga materyales ng SiC, ang mga pagsusuri sa simulation na ito ay maaaring maapektuhan ng isang tiyak na antas ng error, kaya naaapektuhan ang tumpak na kontrol at disenyo ng pag-optimize ng thermal field.

2.2 Kahirapan sa regulasyon ng convection sa loob ng kagamitan

Sa panahon ng paglaki ng mga solong kristal ng SiC, kailangang mapanatili ang mahigpit na kontrol sa temperatura upang matiyak ang pagkakapareho at kadalisayan ng mga kristal. Ang convection phenomenon sa loob ng kagamitan ay maaaring maging sanhi ng hindi pagkakapareho ng field ng temperatura, at sa gayon ay nakakaapekto sa kalidad ng mga kristal. Karaniwang bumubuo ang convection ng gradient ng temperatura, na nagreresulta sa isang hindi pantay na istraktura sa ibabaw ng kristal, na nakakaapekto sa pagganap at aplikasyon ng mga kristal. Ang mahusay na kontrol ng kombeksyon ay maaaring ayusin ang bilis at direksyon ng daloy ng gas, na tumutulong upang mabawasan ang hindi pagkakapareho ng ibabaw ng kristal at mapabuti ang kahusayan ng paglago. Ang kumplikadong geometric na istraktura at proseso ng gas dynamics sa loob ng kagamitan ay napakahirap na tumpak na kontrolin ang convection. Ang kapaligiran ng mataas na temperatura ay hahantong sa pagbaba sa kahusayan ng paglipat ng init at pagtaas ng pagbuo ng gradient ng temperatura sa loob ng kagamitan, kaya naaapektuhan ang pagkakapareho at kalidad ng paglaki ng kristal. Ang ilang mga kinakaing unti-unti na gas ay maaaring makaapekto sa mga materyales at mga elemento ng paglipat ng init sa loob ng kagamitan, sa gayon ay nakakaapekto sa katatagan at kakayahang kontrolin ng convection. Ang SiC single crystal growth equipment ay karaniwang may kumplikadong istraktura at maramihang mga mekanismo ng paglipat ng init, tulad ng radiation heat transfer, convection heat transfer at heat conduction. Ang mga mekanismo ng paglipat ng init na ito ay pinagsama sa isa't isa, na ginagawang mas kumplikado ang regulasyon ng convection, lalo na kapag may mga proseso ng multiphase flow at phase change sa loob ng kagamitan, mas mahirap na tumpak na magmodelo at makontrol ang convection.

3 Mga pangunahing punto ng disenyo ng thermal field ng SiC single crystal growth equipment

3.1 Pamamahagi at kontrol ng kapangyarihan sa pag-init

Sa disenyo ng thermal field, ang mode ng pamamahagi at diskarte sa kontrol ng kapangyarihan ng pag-init ay dapat matukoy ayon sa mga parameter ng proseso at mga kinakailangan ng paglaki ng kristal. Ang SiC single crystal growth equipment ay gumagamit ng graphite heating rods o induction heater para sa pagpainit. Ang pagkakapareho at katatagan ng thermal field ay maaaring makamit sa pamamagitan ng pagdidisenyo ng layout at power distribution ng heater. Sa panahon ng paglaki ng SiC solong kristal, ang pagkakapareho ng temperatura ay may mahalagang impluwensya sa kalidad ng kristal. Ang pamamahagi ng kapangyarihan ng pag-init ay dapat matiyak ang pagkakapareho ng temperatura sa thermal field. Sa pamamagitan ng numerical simulation at experimental verification, ang ugnayan sa pagitan ng heating power at temperature distribution ay maaaring matukoy, at pagkatapos ay ang heating power distribution scheme ay maaaring i-optimize upang gawing mas pare-pareho at stable ang pamamahagi ng temperatura sa thermal field. Sa panahon ng paglaki ng mga solong kristal ng SiC, ang kontrol ng kapangyarihan ng pag-init ay dapat na makamit ang tumpak na regulasyon at matatag na kontrol ng temperatura. Ang mga awtomatikong control algorithm tulad ng PID controller o fuzzy controller ay maaaring gamitin upang makamit ang closed-loop na kontrol ng heating power batay sa real-time na data ng temperatura na ibinalik ng mga sensor ng temperatura upang matiyak ang katatagan at pagkakapareho ng temperatura sa thermal field. Sa panahon ng paglaki ng mga solong kristal ng SiC, ang laki ng kapangyarihan ng pag-init ay direktang makakaapekto sa rate ng paglago ng kristal. Ang kontrol ng kapangyarihan ng pag-init ay dapat na makamit ang tumpak na regulasyon ng rate ng paglago ng kristal. Sa pamamagitan ng pagsusuri at eksperimentong pag-verify ng kaugnayan sa pagitan ng heating power at crystal growth rate, ang isang makatwirang diskarte sa pagkontrol ng heating power ay maaaring matukoy upang makamit ang tumpak na kontrol ng crystal growth rate. Sa panahon ng operasyon ng SiC single crystal growth equipment, ang katatagan ng heating power ay may mahalagang epekto sa kalidad ng crystal growth. Ang matatag at maaasahang kagamitan sa pag-init at mga sistema ng kontrol ay kinakailangan upang matiyak ang katatagan at pagiging maaasahan ng kapangyarihan ng pag-init. Ang kagamitan sa pag-init ay kailangang regular na mapanatili at maserbisyuhan upang napapanahong matuklasan at malutas ang mga pagkakamali at problema sa kagamitan sa pag-init upang matiyak ang normal na operasyon ng kagamitan at ang matatag na output ng kapangyarihan ng pag-init. Sa pamamagitan ng makatwirang pagdidisenyo ng scheme ng pamamahagi ng kapangyarihan ng pag-init, isinasaalang-alang ang kaugnayan sa pagitan ng kapangyarihan ng pag-init at pamamahagi ng temperatura, napagtatanto ang tumpak na kontrol ng kapangyarihan ng pag-init, at tinitiyak ang katatagan at pagiging maaasahan ng kapangyarihan ng pag-init, ang kahusayan ng paglago at kalidad ng kristal ng SiC single crystal growth equipment ay maaaring epektibong napabuti, at ang pag-unlad at pag-unlad ng SiC single crystal growth technology ay maaaring maisulong.

3.2 Disenyo at pagsasaayos ng temperatura control system

Bago ang pagdidisenyo ng sistema ng pagkontrol ng temperatura, ang pagtatasa ng numerical simulation ay kinakailangan upang gayahin at kalkulahin ang mga proseso ng paglipat ng init tulad ng pagpapadaloy ng init, kombeksyon at radiation sa panahon ng paglaki ng mga solong kristal ng SiC upang makuha ang pamamahagi ng field ng temperatura. Sa pamamagitan ng pang-eksperimentong pag-verify, ang mga resulta ng numerical simulation ay itinatama at inaayos upang matukoy ang mga parameter ng disenyo ng sistema ng pagkontrol ng temperatura, tulad ng kapangyarihan ng pag-init, layout ng lugar ng pag-init, at lokasyon ng sensor ng temperatura. Sa panahon ng paglaki ng mga solong kristal ng SiC, ang pag-init ng resistensya o induction heating ay karaniwang ginagamit para sa pagpainit. Kinakailangang pumili ng angkop na elemento ng pag-init. Para sa pag-init ng paglaban, ang isang mataas na temperatura na paglaban sa wire o isang pugon ng paglaban ay maaaring mapili bilang isang elemento ng pag-init; para sa induction heating, kailangang pumili ng angkop na induction heating coil o induction heating plate. Kapag pumipili ng elemento ng pag-init, kailangang isaalang-alang ang mga salik tulad ng kahusayan sa pag-init, pagkakapareho ng pag-init, paglaban sa mataas na temperatura, at ang epekto sa katatagan ng thermal field. Ang disenyo ng sistema ng pagkontrol ng temperatura ay kailangang isaalang-alang hindi lamang ang katatagan at pagkakapareho ng temperatura, kundi pati na rin ang katumpakan ng pagsasaayos ng temperatura at bilis ng pagtugon. Kinakailangang magdisenyo ng makatwirang diskarte sa pagkontrol sa temperatura, tulad ng kontrol ng PID, kontrol ng malabo o kontrol sa neural network, upang makamit ang tumpak na kontrol at pagsasaayos ng temperatura. Kinakailangan din na magdisenyo ng angkop na scheme ng pagsasaayos ng temperatura, tulad ng multi-point linkage adjustment, lokal na pagsasaayos ng kompensasyon o pagsasaayos ng feedback, upang matiyak ang pare-pareho at matatag na pamamahagi ng temperatura ng buong thermal field. Upang mapagtanto ang tumpak na pagsubaybay at kontrol ng temperatura sa panahon ng paglaki ng mga solong kristal ng SiC, kinakailangan na magpatibay ng advanced na teknolohiya sa pag-sensing ng temperatura at kagamitan ng controller. Maaari kang pumili ng mga high-precision na sensor ng temperatura gaya ng mga thermocouples, thermal resistors o infrared thermometer upang subaybayan ang mga pagbabago sa temperatura sa bawat lugar nang real time, at pumili ng high-performance temperature controller equipment, gaya ng PLC controller (tingnan ang Figure 1) o DSP controller , upang makamit ang tumpak na kontrol at pagsasaayos ng mga elemento ng pag-init. Sa pamamagitan ng pagtukoy sa mga parameter ng disenyo batay sa numerical simulation at mga eksperimentong pamamaraan ng pag-verify, pagpili ng naaangkop na mga paraan ng pag-init at mga elemento ng pag-init, pagdidisenyo ng mga makatwirang diskarte sa pagkontrol ng temperatura at mga scheme ng pagsasaayos, at paggamit ng advanced na teknolohiya sa pag-sensing ng temperatura at kagamitan ng controller, epektibo mong makakamit ang tumpak na kontrol at pagsasaayos ng ang temperatura sa panahon ng paglago ng SiC solong kristal, at mapabuti ang kalidad at ani ng mga solong kristal.

3.3 Computational Fluid Dynamics Simulation

Ang pagtatatag ng tumpak na modelo ay ang batayan para sa simulation ng computational fluid dynamics (CFD). Ang SiC single crystal growth equipment ay karaniwang binubuo ng graphite furnace, induction heating system, crucible, protective gas, atbp. Sa proseso ng pagmomolde, kinakailangang isaalang-alang ang pagiging kumplikado ng istraktura ng pugon, ang mga katangian ng paraan ng pag-init , at ang impluwensya ng paggalaw ng materyal sa larangan ng daloy. Ginagamit ang three-dimensional modeling upang tumpak na buuin ang mga geometric na hugis ng furnace, crucible, induction coil, atbp., at isaalang-alang ang thermal physical parameters at boundary condition ng materyal, tulad ng heating power at gas flow rate.

Sa CFD simulation, ang karaniwang ginagamit na mga pamamaraang numero ay kinabibilangan ng finite volume method (FVM) at ang finite element method (FEM). Sa view ng mga katangian ng SiC single crystal growth equipment, ang FVM method ay karaniwang ginagamit upang malutas ang fluid flow at heat conduction equation. Sa mga tuntunin ng meshing, kinakailangang bigyang-pansin ang paghahati sa mga pangunahing lugar, tulad ng graphite crucible surface at ang solong crystal growth area, upang matiyak ang katumpakan ng mga resulta ng simulation. Ang proseso ng paglago ng solong kristal ng SiC ay nagsasangkot ng iba't ibang pisikal na proseso, tulad ng pagpapadaloy ng init, paglipat ng init ng radiation, paggalaw ng likido, atbp. Ayon sa aktwal na sitwasyon, ang mga naaangkop na pisikal na modelo at kundisyon ng hangganan ay pinili para sa simulation. Halimbawa, kung isasaalang-alang ang heat conduction at radiation heat transfer sa pagitan ng graphite crucible at ng SiC single crystal, kailangang itakda ang naaangkop na heat transfer boundary condition; isinasaalang-alang ang impluwensya ng induction heating sa fluid movement, ang mga kondisyon ng hangganan ng induction heating power ay kailangang isaalang-alang.

Bago ang simulation ng CFD, kailangang itakda ang simulation time step, convergence criteria at iba pang parameter, at magsagawa ng mga kalkulasyon. Sa panahon ng proseso ng simulation, kinakailangan na patuloy na ayusin ang mga parameter upang matiyak ang katatagan at tagpo ng mga resulta ng simulation, at pagkatapos ng proseso ang mga resulta ng simulation, tulad ng pamamahagi ng field ng temperatura, pamamahagi ng bilis ng likido, atbp., para sa karagdagang pagsusuri at pag-optimize . Ang katumpakan ng mga resulta ng simulation ay na-verify sa pamamagitan ng paghahambing sa pamamahagi ng field ng temperatura, solong kalidad ng kristal at iba pang data sa aktwal na proseso ng paglago. Ayon sa mga resulta ng simulation, ang istraktura ng furnace, paraan ng pag-init at iba pang mga aspeto ay na-optimize upang mapabuti ang kahusayan ng paglago at solong kristal na kalidad ng SiC single crystal growth equipment. Ang simulation ng CFD ng thermal field na disenyo ng SiC single crystal growth equipment ay nagsasangkot ng pagtatatag ng mga tumpak na modelo, pagpili ng mga naaangkop na numerical na pamamaraan at meshing, pagtukoy ng mga pisikal na modelo at kundisyon ng hangganan, pagtatakda at pagkalkula ng mga parameter ng simulation, at pag-verify at pag-optimize ng mga resulta ng simulation. Ang siyentipiko at makatwirang simulation ng CFD ay maaaring magbigay ng mahahalagang sanggunian para sa disenyo at pag-optimize ng SiC single crystal growth equipment, at pagpapabuti ng growth efficiency at solong kristal na kalidad.

3.4 Disenyo ng istraktura ng hurno

Isinasaalang-alang na ang SiC single crystal growth ay nangangailangan ng mataas na temperatura, chemical inertness at magandang thermal conductivity, ang furnace body material ay dapat mapili mula sa mataas na temperatura at corrosion-resistant na materyales, tulad ng silicon carbide ceramics (SiC), graphite, atbp. SiC material ay may mahusay mataas na temperatura katatagan at kemikal inertness, at ito ay isang perpektong furnace body materyal. Ang panloob na ibabaw ng dingding ng furnace body ay dapat na makinis at pare-pareho upang mabawasan ang thermal radiation at heat transfer resistance at mapabuti ang thermal field stability. Ang istraktura ng furnace ay dapat na gawing simple hangga't maaari, na may mas kaunting mga structural layer upang maiwasan ang konsentrasyon ng thermal stress at labis na gradient ng temperatura. Ang isang cylindrical o rectangular na istraktura ay karaniwang ginagamit upang mapadali ang pare-parehong pamamahagi at katatagan ng thermal field. Ang mga pantulong na elemento ng pag-init tulad ng mga heating coil at resistors ay nakatakda sa loob ng furnace upang mapabuti ang pagkakapareho ng temperatura at katatagan ng thermal field at matiyak ang kalidad at kahusayan ng paglaki ng solong kristal. Kasama sa mga karaniwang paraan ng pag-init ang induction heating, resistance heating at radiation heating. Sa SiC single crystal growth equipment, kadalasang ginagamit ang kumbinasyon ng induction heating at resistance heating. Ang induction heating ay pangunahing ginagamit para sa mabilis na pag-init upang mapabuti ang pagkakapareho ng temperatura at katatagan ng thermal field; Ang pag-init ng paglaban ay ginagamit upang mapanatili ang isang pare-parehong temperatura at gradient ng temperatura upang mapanatili ang katatagan ng proseso ng paglago. Maaaring mapabuti ng pag-init ng radyasyon ang pagkakapareho ng temperatura sa loob ng pugon, ngunit kadalasang ginagamit ito bilang pantulong na paraan ng pagpainit.

4. Konklusyon

Sa lumalaking pangangailangan para sa mga materyales ng SiC sa power electronics, optoelectronics at iba pang larangan, ang pagbuo ng SiC single crystal growth technology ay magiging isang pangunahing lugar ng makabagong siyentipiko at teknolohikal. Bilang core ng SiC single crystal growth equipment, ang disenyo ng thermal field ay patuloy na makakatanggap ng malawak na atensyon at malalim na pananaliksik. Kasama sa mga direksyon sa pag-unlad sa hinaharap ang karagdagang pag-optimize ng istraktura ng thermal field at sistema ng kontrol upang mapabuti ang kahusayan ng produksyon at kalidad ng solong kristal; paggalugad ng mga bagong materyales at teknolohiya sa pagproseso upang mapabuti ang katatagan at tibay ng kagamitan; at pagsasama ng matalinong teknolohiya upang makamit ang awtomatikong kontrol at malayuang pagsubaybay ng mga kagamitan.