SiC монокристалды өсуіне арналған жылу өрісінің дизайны

1 SiC монокристалды өсіретін жабдықта жылу өрісінің дизайнының 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.

SiC монокристалының өсу қарқыны өндіріс құны мен қуаттылыққа тікелей әсер етеді. Жылу өрісін ұтымды жобалау арқылы кристалдың өсу процесі кезінде температура градиенті мен жылу ағынының таралуын оңтайландыруға, кристалдың өсу қарқынын және өсу аймағын тиімді пайдалану жылдамдығын жақсартуға болады. Жылу өрісінің дизайны сонымен қатар өсу процесі кезінде энергияның жоғалуын және материалдық қалдықтарды азайтады, өндіріс шығындарын азайтады және өндіріс тиімділігін арттырады, осылайша SiC монокристалдарының шығуын арттырады. SiC монокристалды өсіру жабдығы әдетте энергиямен жабдықтау және салқындату жүйесінің үлкен көлемін қажет етеді, ал жылу өрісін ұтымды жобалау энергияны тұтынуды азайтуға, энергия тұтынуды және қоршаған ортаға эмиссияларды азайтуға мүмкіндік береді. Жылу өрісінің құрылымын және жылу ағынының жолын оңтайландыру арқылы энергияны барынша арттыруға болады және энергия тиімділігін арттыру және қоршаған ортаға теріс әсерді азайту үшін қалдық жылуды қайта өңдеуге болады.

2 SiC монокристалды өсіретін жабдықтың жылу өрісін жобалаудағы қиындықтар

2.1 Материалдардың жылу өткізгіштігінің біркелкі еместігі

SiC өте маңызды жартылай өткізгіш материал. Оның жылу өткізгіштігі жоғары температура тұрақтылығы мен тамаша жылу өткізгіштік сипаттамаларына ие, бірақ оның жылу өткізгіштігінің таралуы белгілі біркелкі емес. SiC монокристалды өсу процесінде кристалдық өсудің біркелкілігі мен сапасын қамтамасыз ету үшін жылу өрісін дәл бақылау қажет. SiC материалдарының жылу өткізгіштігінің біркелкі болмауы жылу өрісінің таралуының тұрақсыздығына әкеледі, бұл өз кезегінде кристалдардың өсуінің біркелкілігі мен сапасына әсер етеді. SiC монокристалды өсіру жабдығы әдетте будың физикалық тұндыру (PVT) әдісін немесе газ фазасын тасымалдау әдісін қолданады, бұл өсу камерасында жоғары температуралық ортаны сақтауды және температураның таралуын дәл бақылау арқылы кристалдардың өсуін жүзеге асыруды талап етеді. SiC материалдарының жылу өткізгіштігінің біркелкі еместігі өсу камерасында температураның біркелкі таралмауына әкеледі, осылайша кристалдардың өсу процесіне әсер етеді, бұл кристалдық ақауларды немесе біркелкі емес кристалдық сапасын тудыруы мүмкін. SiC монокристалдарының өсуі кезінде температураның таралуының өзгеретін заңын жақсы түсіну және модельдеу нәтижелеріне негізделген дизайнды оңтайландыру үшін үш өлшемді динамикалық модельдеу және жылу өрісін талдау қажет. SiC материалдарының жылу өткізгіштігінің біркелкі еместігіне байланысты, бұл модельдеу талдауларына белгілі бір дәрежедегі қателер әсер етуі мүмкін, осылайша жылу өрісін дәл басқару және оңтайландыру дизайнына 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 ішінде 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.

3 SiC монокристалды өсіретін жабдықтың жылу өрісін жобалаудың негізгі нүктелері

3.1 Жылу 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 реттеу жүйесін жобалаудан бұрын температура өрісінің таралуын алу үшін SiC монокристалдарының өсуі кезінде жылу өткізгіштік, конвекция және сәулелену сияқты жылу беру процестерін модельдеу және есептеу үшін сандық модельдеу талдауы қажет. Эксперименттік тексеру арқылы сандық модельдеу нәтижелері жылу қуаты, жылыту аймағының орналасуы және температура сенсорының орналасуы сияқты температураны реттеу жүйесінің жобалық параметрлерін анықтау үшін түзетіледі және реттеледі. SiC монокристалдарының өсуі кезінде қыздыру үшін әдетте қарсылық қыздыру немесе индукциялық қыздыру қолданылады. Сәйкес қыздыру элементін таңдау қажет. Қарсылықты қыздыру үшін қыздырғыш элемент ретінде жоғары температураға төзімді сым немесе қарсылық пешін таңдауға болады; индукциялық қыздыру үшін сәйкес индукциялық қыздыру катушкасын немесе индукциялық қыздыру тақтасын таңдау керек. Қыздыру элементін таңдағанда, қыздыру тиімділігі, қыздырудың біркелкілігі, жоғары температураға төзімділігі және жылу өрісінің тұрақтылығына әсері сияқты факторларды ескеру қажет. Температураны реттеу жүйесінің конструкциясы температураның тұрақтылығы мен біркелкілігін ғана емес, сонымен қатар температураны реттеу дәлдігі мен жауап беру жылдамдығын да ескеру қажет. Температураны дәл бақылауға және реттеуге қол жеткізу үшін PID басқару, анық емес басқару немесе нейрондық желіні басқару сияқты ақылға қонымды температураны бақылау стратегиясын жасау қажет. Сондай-ақ, бүкіл жылу өрісінің біркелкі және тұрақты температуралық таралуын қамтамасыз ету үшін көп нүктелі байланысты реттеу, жергілікті өтемдік реттеу немесе кері байланысты реттеу сияқты қолайлы температураны реттеу схемасын жобалау қажет. SiC монокристалдарының өсуі кезінде температураны дәл бақылау мен бақылауды жүзеге асыру үшін температураны анықтаудың озық технологиясын және контроллер жабдығын қабылдау қажет. Нақты уақытта әрбір аймақтағы температура өзгерістерін бақылау үшін термопарлар, термиялық резисторлар немесе инфрақызыл термометрлер сияқты жоғары дәлдіктегі температура сенсорларын таңдай аласыз және PLC контроллері (1-суретті қараңыз) немесе DSP контроллері сияқты өнімділігі жоғары температура реттегіші жабдығын таңдай аласыз. , қыздыру элементтерін дәл бақылауға және реттеуге қол жеткізу. Сандық модельдеу және эксперименталды тексеру әдістеріне негізделген дизайн параметрлерін анықтау, сәйкес қыздыру әдістерін және қыздыру элементтерін таңдау, ақылға қонымды температураны бақылау стратегиялары мен реттеу схемаларын жобалау және температураны анықтаудың озық технологиясы мен контроллер жабдығын пайдалану арқылы сіз дәл бақылау мен реттеуге тиімді қол жеткізе аласыз. SiC монокристалдарының өсу кезіндегі температураны және монокристалдардың сапасы мен шығымдылығын арттырады.

3.3 Есептік сұйықтықтардың динамикасын модельдеу

Нақты үлгіні құру есептеу сұйықтығының динамикасын (CFD) модельдеу үшін негіз болып табылады. SiC монокристалды өсіру жабдығы әдетте графит пешінен, индукциялық жылыту жүйесінен, тигельден, қорғаныс газынан және т.б. тұрады. Модельдеу процесінде пеш құрылымының күрделілігін, қыздыру әдісінің сипаттамаларын ескеру қажет. , және материал қозғалысының ағын өрісіне әсері. Үш өлшемді модельдеу пештің, тигельдің, индукциялық катушканың және т.б. геометриялық пішіндерді дәл қалпына келтіру үшін қолданылады және жылу физикалық параметрлерін және жылу қуаты мен газ шығыны сияқты материалдың шекаралық шарттарын 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 процесінде модельдеу нәтижелерінің тұрақтылығы мен конвергенциясын қамтамасыз ету үшін параметрлерді үздіксіз реттеу қажет және одан әрі 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

SiC монокристалының өсуі жоғары температураны, химиялық инерттілікті және жақсы жылу өткізгіштікті қажет ететінін ескере отырып, пеш корпусының материалы кремний карбиді керамика (SiC), графит және т.б. сияқты жоғары температураға және коррозияға төзімді материалдардан таңдалуы керек. SiC материалы өте жақсы. жоғары температураның тұрақтылығы мен химиялық инерттілігі және пеш корпусының тамаша материалы болып табылады. Пеш корпусының ішкі қабырғасының беті жылулық сәулеленуді және жылу беру кедергісін азайту және жылу өрісінің тұрақтылығын жақсарту үшін тегіс және біркелкі болуы керек. Пештің құрылымын мүмкіндігінше оңайлату керек, жылу кернеуінің шоғырлануын және шамадан тыс температура градиентін болдырмау үшін құрылымдық қабаттар аз болуы керек. Термиялық өрістің біркелкі таралуын және тұрақтылығын жеңілдету үшін әдетте цилиндрлік немесе тікбұрышты құрылым қолданылады. Температураның біркелкілігі мен жылу өрісінің тұрақтылығын жақсарту және монокристалды өсу сапасы мен тиімділігін қамтамасыз ету үшін қыздыру катушкалары мен резисторлар сияқты қосалқы қыздыру элементтері пештің ішіне орнатылады. Жалпы қыздыру әдістеріне индукциялық қыздыру, қарсылық қыздыру және радиациялық қыздыру жатады. SiC монокристалды өсіретін жабдықта индукциялық қыздыру және қарсылық қыздыру комбинациясы жиі қолданылады. Индукциялық қыздыру негізінен температураның біркелкілігін және жылу өрісінің тұрақтылығын жақсарту үшін жылдам қыздыру үшін қолданылады; қарсылық қыздыру өсу процесінің тұрақтылығын сақтау үшін тұрақты температура мен температура градиентін сақтау үшін қолданылады. Радиациялық қыздыру пеш ішіндегі температураның біркелкілігін жақсарта алады, бірақ ол әдетте қосалқы қыздыру әдісі ретінде қолданылады.

4 Қорытынды

Күштік электроника, оптоэлектроника және басқа салаларда SiC материалдарына сұраныстың артуы жағдайында SiC монокристалды өсу технологиясын дамыту ғылыми және технологиялық инновациялардың негізгі саласына айналады. SiC монокристалды өсіру жабдығының негізгі бөлігі ретінде жылу өрісінің дизайны әлі де көп көңіл бөледі және терең зерттеулерге ие болады. Болашақ даму бағыттары өндіріс тиімділігі мен монокристалды сапасын арттыру үшін жылу өрісінің құрылымын және басқару жүйесін одан әрі оңтайландыруды қамтиды; жабдықтың тұрақтылығы мен төзімділігін арттыру үшін жаңа материалдар мен өңдеу технологиясын зерттеу; және жабдықты автоматты басқару және қашықтан бақылауға қол жеткізу үшін интеллектуалды технологияны біріктіру.