SiC Tək Kristal Böyüməsi üçün Termal Sahə Dizaynı

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 yarımkeçirici materialdır. Onun istilik keçiriciliyi yüksək temperatur sabitliyi və əla istilik keçiriciliyi xüsusiyyətlərinə malikdir, lakin istilik keçiriciliyinin paylanması müəyyən qeyri-bərabərliyə malikdir. SiC monokristalının böyüməsi prosesində, kristal böyüməsinin vahidliyini və keyfiyyətini təmin etmək üçün istilik sahəsinə dəqiq nəzarət edilməlidir. SiC materiallarının istilik keçiriciliyinin qeyri-bərabərliyi istilik sahəsinin paylanmasının qeyri-sabitliyinə gətirib çıxaracaq ki, bu da öz növbəsində kristal artımının vahidliyinə və keyfiyyətinə təsir göstərir. SiC tək kristal böyümə avadanlığı adətən fiziki buxar çökmə (PVT) metodunu və ya qaz fazasının nəqli metodunu qəbul edir ki, bu da böyümə kamerasında yüksək temperatur mühitinin saxlanmasını və temperaturun paylanmasına dəqiq nəzarət edərək kristal böyüməsini həyata keçirməsini tələb edir. SiC materiallarının istilik keçiriciliyinin qeyri-bərabərliyi böyümə kamerasında temperaturun qeyri-bərabər paylanmasına gətirib çıxaracaq və bununla da kristalın böyüməsi prosesinə təsir göstərəcək, bu da kristal qüsurlarına və ya qeyri-bərabər kristal keyfiyyətinə səbəb ola bilər. SiC monokristallarının böyüməsi zamanı dəyişən temperaturun paylanması qanununu daha yaxşı başa düşmək və simulyasiya nəticələrinə əsasən dizaynı optimallaşdırmaq üçün üçölçülü dinamik simulyasiya və istilik sahəsinin təhlilini aparmaq lazımdır. SiC materiallarının istilik keçiriciliyinin qeyri-bərabərliyi ilə əlaqədar olaraq, bu simulyasiya analizlərinə müəyyən dərəcədə səhv təsir göstərə bilər, beləliklə, istilik sahəsinin dəqiq idarə edilməsi və optimallaşdırılması dizaynına təsir göstərir.

2.2 Avadanlıq daxilində konveksiyanın tənzimlənməsinin çətinliyi

SiC monokristallarının böyüməsi zamanı kristalların vahidliyini və saflığını təmin etmək üçün ciddi temperatur nəzarəti təmin edilməlidir. Avadanlıq daxilində konveksiya fenomeni temperatur sahəsinin qeyri-bərabərliyinə səbəb ola bilər və bununla da kristalların keyfiyyətinə təsir göstərə bilər. Konveksiya adətən temperatur qradiyenti əmələ gətirir, nəticədə kristal səthində qeyri-bərabər struktur yaranır ki, bu da öz növbəsində kristalların işinə və tətbiqinə təsir göstərir. Yaxşı konveksiya nəzarəti qaz axınının sürətini və istiqamətini tənzimləyə bilər ki, bu da kristal səthinin qeyri-bərabərliyini azaltmağa və böyümənin səmərəliliyini artırmağa kömək edir. Avadanlıq daxilində mürəkkəb həndəsi quruluş və qaz dinamikası prosesi konveksiyaya dəqiq nəzarəti son dərəcə çətinləşdirir. Yüksək temperatur mühiti istilik ötürmə səmərəliliyinin azalmasına səbəb olacaq və avadanlıq daxilində temperatur gradientinin formalaşmasını artıracaq, beləliklə kristal artımının vahidliyinə və keyfiyyətinə təsir edəcəkdir. Bəzi korroziyalı qazlar avadanlığın içərisində olan materiallara və istilik ötürmə elementlərinə təsir göstərə bilər və bununla da konveksiyanın sabitliyinə və idarəolunmasına təsir göstərə bilər. SiC tək kristal artım avadanlığı adətən mürəkkəb bir quruluşa və radiasiya istilik ötürülməsi, konveksiya istilik ötürülməsi və istilik keçiriciliyi kimi çoxlu istilik ötürmə mexanizmlərinə malikdir. Bu istilik ötürmə mexanizmləri bir-biri ilə birləşdirilir və konveksiya tənzimlənməsini daha mürəkkəb edir, xüsusən də avadanlıq daxilində çoxfazalı axın və faza dəyişmə prosesləri olduqda konveksiyanı dəqiq modelləşdirmək və idarə etmək daha çətindir.

3 SiC monokristal artımı avadanlığının istilik sahəsinin dizaynının 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 gücünün dəqiq nəzarətini həyata keçirmək və istilik gücünün dayanıqlığını 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 elementi 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 cavab 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 modelin yaradılması hesablama maye dinamikasının (CFD) simulyasiyası üçün əsasdır. SiC monokristal artım avadanlığı adətən qrafit sobası, induksiya isitmə sistemi, tige, qoruyucu qaz və s. ibarətdir. Modelləşdirmə prosesində soba strukturunun mürəkkəbliyini, istilik metodunun xüsusiyyətlərini nəzərə almaq lazımdır. , və material hərəkətinin axın sahəsinə təsiri. Üçölçülü modelləşdirmə sobanın, tigelin, induksiya bobininin və s.-nin həndəsi formalarını dəqiq şəkildə yenidən qurmaq və materialın istilik fiziki parametrlərini və sərhəd şərtlərini, məsələn, istilik gücü və qaz axınının sürətini nəzərə almaq üçün istifadə olunur.

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 vaxtının addımını, yaxınlaşma meyarlarını və digər parametrləri təyin etmək və hesablamalar aparmaq lazımdır. Simulyasiya prosesi zamanı simulyasiya nəticələrinin sabitliyini və yaxınlaşmasını təmin etmək üçün parametrləri davamlı olaraq tənzimləmək və sonrakı təhlil və optimallaşdırma üçün temperatur sahəsinin paylanması, maye sürətinin paylanması və s. kimi simulyasiya nəticələrini sonrakı emal etmək lazımdır. . Simulyasiya nəticələrinin düzgünlüyü faktiki böyümə prosesində temperatur sahəsinin paylanması, monokristal keyfiyyəti və digər məlumatlar ilə müqayisə edilərək yoxlanılır. Simulyasiya nəticələrinə əsasən, sobanın strukturu, isitmə üsulu və digər aspektlər SiC monokristal inkişaf etdirmə avadanlığının böyümə səmərəliliyini və tək kristal keyfiyyətini yaxşılaşdırmaq üçün optimallaşdırılıb. SiC monokristal artım avadanlığının istilik sahəsinin dizaynının CFD simulyasiyası dəqiq modellərin yaradılmasını, müvafiq ədədi metodların və şəbəkələrin seçilməsini, fiziki modellərin və sərhəd şərtlərinin müəyyən edilməsini, simulyasiya parametrlərinin təyin edilməsini və hesablanmasını, simulyasiya nəticələrinin yoxlanılmasını və optimallaşdırılmasını əhatə edir. Elmi və ağlabatan CFD simulyasiyası SiC monokristal artımı avadanlığının dizaynı və optimallaşdırılması üçün mühüm istinadlar təmin edə, böyümənin səmərəliliyini və tək kristal keyfiyyətini yaxşılaşdıra bilər.

3.4 Ocağın konstruksiyasının layihələndirilməsi

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 soba daxilində temperaturun vahidliyini və istilik sahəsinin sabitliyini yaxşılaşdırmaq və monokristal artımının keyfiyyətini və səmərəliliyini təmin etmək üçün quraşdırılmışdır. Ümumi istilik üsullarına induksiya isitmə, müqavimətli istilik və radiasiya ilə 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

Güc elektronikası, optoelektronika və digər sahələrdə SiC materiallarına artan tələbatla SiC monokristal böyüməsi texnologiyasının inkişafı elmi və texnoloji innovasiyaların əsas sahəsinə çevriləcəkdir. SiC monokristal inkişaf etdirmə avadanlığının əsası olaraq, istilik sahəsinin dizaynı geniş diqqət və dərin tədqiqat almağa davam edəcəkdir. Gələcək inkişaf istiqamətlərinə istehsalın səmərəliliyini və monokristal keyfiyyətini yaxşılaşdırmaq üçün istilik sahəsinin strukturunun və idarəetmə sisteminin daha da optimallaşdırılması daxildir; avadanlığın dayanıqlığını və dayanıqlığını yaxşılaşdırmaq üçün yeni materialların və emal texnologiyasının tədqiqi; və avadanlığın avtomatik idarə edilməsinə və uzaqdan monitorinqinə nail olmaq üçün ağıllı texnologiyanın inteqrasiyası.