Wärmefeldkonstruktion für SIC -Einzelkristallwachstum

1 Bedeutung des thermischen Felddesigns in SiC-Einkristall-Züchtungsanlagen

SIC-Einkristall ist ein wichtiges Halbleitermaterial, das in Stromerik, Optoelektronik und Hochtemperaturanwendungen häufig verwendet wird. Das thermische Felddesign beeinflusst direkt das Kristallisationsverhalten, die Gleichmäßigkeit und die Verunreinigungskontrolle des Kristalls und hat einen entscheidenden Einfluss auf die Leistung und den Ausgang von SIC -Einzelkristallwachstumsgeräten. Die Qualität des SIC -Einzelkristalls wirkt sich direkt auf die Leistung und Zuverlässigkeit bei der Herstellung von Geräten aus. Durch rationales Design des thermischen Feldes kann die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung während des Kristallwachstums erreicht werden, thermischer Spannung und thermischer Gradient im Kristall vermieden werden, wodurch die Bildungsrate von Kristalldefekten verringert wird. Das optimierte thermische Felddesign kann auch die Qualität und Kristallisationsrate der Kristallfläche verbessern, die strukturelle Integrität und chemische Reinheit des Kristalls weiter verbessern und sicherstellen, dass der erwachsene sic -Einkristall gute elektrische und optische Eigenschaften aufweist.

Die Wachstumsrate von SIC -Einzelkristall wirkt sich direkt auf die Produktionskosten und die Kapazität aus. Durch rationales Design des thermischen Feldes kann der Temperaturgradient und die Wärmeflussverteilung während des Kristallwachstums optimiert werden, und die Wachstumsrate des Kristalls und die effektive Nutzungsrate des Wachstumsbereichs können verbessert werden. Das thermische Felddesign kann auch den Energieverlust und den Materialabfall während des Wachstumsprozesses reduzieren, die Produktionskosten senken und die Produktionseffizienz verbessern und so den Produktion von SIC -Einzelkristallen erhöhen. Die SIC -Einzelkristallwachstumsgeräte benötigen normalerweise eine große Menge an Energieversorgungs- und Kühlsystem, und die rationale Konstruktion des thermischen Feldes kann den Energieverbrauch verringern, den Energieverbrauch und die Umweltemissionen reduzieren. Durch die Optimierung der thermischen Feldstruktur und des Wärmeflusswegs kann Energie maximiert werden und die Wärme kann recycelt werden, um die Energieeffizienz zu verbessern und die negativen Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern.

2 Schwierigkeiten bei der thermischen Felddesign von SIC -Einzelkristallwachstumsgeräten

2.1 Ungleichmäßigkeit der thermischen Leitfähigkeit von Materialien

SiC ist ein sehr wichtiges Halbleitermaterial. Seine Wärmeleitfähigkeit zeichnet sich durch hohe Temperaturstabilität und ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aus, seine Wärmeleitfähigkeitsverteilung weist jedoch eine gewisse Ungleichmäßigkeit auf. Um die Gleichmäßigkeit und Qualität des Kristallwachstums sicherzustellen, muss beim Wachstum von SiC-Einkristallen das Wärmefeld präzise gesteuert werden. Die Ungleichmäßigkeit der Wärmeleitfähigkeit von SiC-Materialien führt zu einer Instabilität der Wärmefeldverteilung, was wiederum die Gleichmäßigkeit und Qualität des Kristallwachstums beeinträchtigt. Geräte zur Züchtung von SiC-Einkristallen verwenden in der Regel die Methode der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVT) oder die Gasphasentransportmethode, die die Aufrechterhaltung einer Hochtemperaturumgebung in der Wachstumskammer und die Verwirklichung des Kristallwachstums durch genaue Steuerung der Temperaturverteilung erfordert. Die ungleichmäßige Wärmeleitfähigkeit von SiC-Materialien führt zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in der Wachstumskammer und beeinträchtigt dadurch den Kristallwachstumsprozess, was zu Kristallfehlern oder einer ungleichmäßigen Kristallqualität führen kann. Während des Wachstums von SiC-Einkristallen ist es notwendig, eine dreidimensionale dynamische Simulation und Analyse des Wärmefeldes durchzuführen, um das sich ändernde Gesetz der Temperaturverteilung besser zu verstehen und das Design basierend auf den Simulationsergebnissen zu optimieren. Aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Wärmeleitfähigkeit von SiC-Materialien können diese Simulationsanalysen mit einem gewissen Fehlergrad behaftet sein und somit die präzise Steuerung und Optimierung des Wärmefelddesigns beeinträchtigen.

2.2 Schwierigkeiten bei der Konvektionsregulierung im Inneren des Geräts

Während des Wachstums von SiC-Einkristallen muss eine strenge Temperaturkontrolle eingehalten werden, um die Gleichmäßigkeit und Reinheit der Kristalle sicherzustellen. Das Konvektionsphänomen im Inneren des Geräts kann zu einer Ungleichmäßigkeit des Temperaturfelds führen und dadurch die Qualität der Kristalle beeinträchtigen. Konvektion bildet normalerweise einen Temperaturgradienten, der zu einer ungleichmäßigen Struktur auf der Kristalloberfläche führt, was wiederum Auswirkungen auf die Leistung und Anwendung der Kristalle hat. Eine gute Konvektionskontrolle kann die Geschwindigkeit und Richtung des Gasstroms anpassen, was dazu beiträgt, die Ungleichmäßigkeit der Kristalloberfläche zu reduzieren und die Wachstumseffizienz zu verbessern. Die komplexe geometrische Struktur und der Gasdynamikprozess im Inneren der Anlage machen es äußerst schwierig, die Konvektion genau zu steuern. Eine Umgebung mit hohen Temperaturen führt zu einer Verringerung der Wärmeübertragungseffizienz und erhöht die Bildung von Temperaturgradienten innerhalb der Anlage, wodurch die Gleichmäßigkeit und Qualität des Kristallwachstums beeinträchtigt wird. Einige korrosive Gase können die Materialien und Wärmeübertragungselemente im Inneren des Geräts angreifen und dadurch die Stabilität und Kontrollierbarkeit der Konvektion beeinträchtigen. Geräte zur Züchtung von SiC-Einkristallen weisen normalerweise eine komplexe Struktur und mehrere Wärmeübertragungsmechanismen auf, wie z. B. Strahlungswärmeübertragung, Konvektionswärmeübertragung und Wärmeleitung. Diese Wärmeübertragungsmechanismen sind miteinander gekoppelt, was die Konvektionsregulierung komplizierter macht, insbesondere wenn es in der Anlage zu Mehrphasenströmungen und Phasenwechselprozessen kommt, ist es schwieriger, die Konvektion genau zu modellieren und zu steuern.

3 wichtige Punkte des thermischen Felddesigns von SIC -Einzelkristallwachstumsgeräten

3.1 Verteilung und Steuerung der Heizleistung

Beim thermischen Felddesign sollten der Verteilungsmodus und die Steuerstrategie der Heizleistung entsprechend den Prozessparametern und Anforderungen des Kristallwachstums bestimmt werden. Geräte zur Züchtung von SiC-Einkristallen verwenden Graphitheizstäbe oder Induktionsheizgeräte zum Erhitzen. Die Gleichmäßigkeit und Stabilität des Wärmefeldes kann durch die Gestaltung der Anordnung und Leistungsverteilung der Heizung erreicht werden. Beim Wachstum von SiC-Einkristallen hat die Temperaturgleichmäßigkeit einen wichtigen Einfluss auf die Qualität des Kristalls. Die Verteilung der Heizleistung sollte eine gleichmäßige Temperatur im Wärmefeld gewährleisten können. Durch numerische Simulation und experimentelle Verifizierung kann der Zusammenhang zwischen Heizleistung und Temperaturverteilung ermittelt und anschließend das Heizleistungsverteilungsschema optimiert werden, um die Temperaturverteilung im Wärmefeld gleichmäßiger und stabiler zu gestalten. Während des Wachstums von SiC-Einkristallen sollte die Steuerung der Heizleistung eine präzise Regulierung und stabile Temperaturkontrolle ermöglichen. Automatische Steueralgorithmen wie PID-Regler oder Fuzzy-Regler können verwendet werden, um eine geschlossene Regelung der Heizleistung auf der Grundlage von Echtzeit-Temperaturdaten zu erreichen, die von Temperatursensoren zurückgemeldet werden, um die Stabilität und Gleichmäßigkeit der Temperatur im Wärmefeld sicherzustellen. Während des Wachstums von SiC-Einkristallen wirkt sich die Größe der Heizleistung direkt auf die Kristallwachstumsrate aus. Die Steuerung der Heizleistung sollte eine präzise Regulierung der Kristallwachstumsrate ermöglichen. Durch die Analyse und experimentelle Verifizierung des Zusammenhangs zwischen Heizleistung und Kristallwachstumsrate kann eine sinnvolle Strategie zur Steuerung der Heizleistung ermittelt werden, um eine präzise Steuerung der Kristallwachstumsrate zu erreichen. Während des Betriebs von SiC-Einkristall-Züchtungsanlagen hat die Stabilität der Heizleistung einen wichtigen Einfluss auf die Qualität des Kristallwachstums. Um die Stabilität und Zuverlässigkeit der Heizleistung zu gewährleisten, sind stabile und zuverlässige Heizgeräte und Steuerungssysteme erforderlich. Die Heizausrüstung muss regelmäßig gewartet und gewartet werden, um Fehler und Probleme in der Heizausrüstung rechtzeitig zu erkennen und zu beheben und den normalen Betrieb der Ausrüstung und die stabile Ausgabe der Heizleistung sicherzustellen. Durch die rationelle Gestaltung des Heizleistungsverteilungsschemas, die Berücksichtigung der Beziehung zwischen Heizleistung und Temperaturverteilung, die Realisierung einer präzisen Steuerung der Heizleistung und die Gewährleistung der Stabilität und Zuverlässigkeit der Heizleistung können die Wachstumseffizienz und Kristallqualität von SiC-Einkristall-Züchtungsgeräten verbessert werden effektiv verbessert und der Fortschritt und die Entwicklung der SiC-Einkristall-Wachstumstechnologie gefördert werden.

3.2 Design und Anpassung des Temperaturkontrollsystems

Vor der Gestaltung des Temperaturkontrollsystems ist eine numerische Simulationsanalyse erforderlich, um die Wärmeübertragungsprozesse wie Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung während des Wachstums von SIC -Einzelkristallen zu simulieren und zu berechnen, um die Verteilung des Temperaturfeldes zu erhalten. Durch die experimentelle Überprüfung werden die numerischen Simulationsergebnisse korrigiert und eingestellt, um die Konstruktionsparameter des Temperaturregelungssystems wie Heizleistung, Layout der Heizfläche und Temperatursensor zu bestimmen. Während des Wachstums von SIC -Einzelkristallen wird normalerweise zum Erhitzen eine Resistenzerwärmung oder eine Induktionsheizung verwendet. Es ist notwendig, ein geeignetes Heizelement auszuwählen. Bei Widerstandserwärmung kann ein Hochtemperaturwiderstandsdraht oder ein Widerstandsofen als Heizelement ausgewählt werden. Für die Induktionsheizung muss eine geeignete Induktionsheizspule oder eine Induktionsheizplatte ausgewählt werden. Bei der Auswahl eines Heizelements müssen Faktoren wie Heizungseffizienz, Erwärmungsgleichmäßigkeit, hoher Temperaturwiderstand und die Auswirkung auf die thermische Feldstabilität berücksichtigt werden. Das Design des Temperaturkontrollsystems muss nicht nur die Stabilität und Gleichmäßigkeit der Temperatur berücksichtigen, sondern auch die Genauigkeit der Temperaturanpassung und die Reaktionsgeschwindigkeit. Es ist notwendig, eine angemessene Strategie zur Temperaturregelung wie PID -Steuerung, Fuzzy -Kontrolle oder neuronale Netzwerkkontrolle zu entwerfen, um eine genaue Kontrolle und Einstellung der Temperatur zu erreichen. Es ist außerdem erforderlich, ein geeignetes Temperaturanpassungsschema zu entwerfen, wie z. B. Multi-Point-Verknüpfungsanpassung, lokale Kompensationsanpassung oder Rückkopplungsanpassung, um eine gleichmäßige und stabile Temperaturverteilung des gesamten thermischen Feldes sicherzustellen. Um die genaue Überwachung und Kontrolle der Temperatur während des Wachstums von SIC -Einzelkristallen zu realisieren, ist es erforderlich, fortschrittliche Temperaturerfassungstechnologie und Controller -Geräte einzusetzen. Sie können Temperatursensoren mit hoher Präzision wie Thermoelemente, thermische Widerstände oder Infrarot-Thermometer auswählen, um die Temperaturänderungen in jedem Bereich in Echtzeit zu überwachen, und die Temperatursteuerungsgeräte wie SPS-Controller (siehe Abbildung 1) oder DSP-Controller wählen , um eine präzise Kontrolle und Einstellung von Heizelementen zu erreichen. Durch die Bestimmung der Konstruktionsparameter basierend auf numerischen Simulations- und experimentellen Verifizierungsmethoden, Auswahl geeigneter Heizmethoden und Heizelemente, der Gestaltung angemessener Strategien zur Steuerung von Temperaturen und Anpassungsschemata und Verwendung fortschrittlicher Temperaturerfassungstechnologie und Controller -Geräte können eine präzise Steuerung und Anpassung von effektiv erreichen und Anpassungen von erreichen Die Temperatur während des Wachstums von SIC -Einzelkristallen und die Qualität und Ausbeute von Einkristallen.

3.3 Simulation der Computerflüssigkeitsdynamik

Die Erstellung eines genauen Modells ist die Grundlage für die Simulation der numerischen Strömungsmechanik (CFD). Geräte zur Züchtung von SiC-Einkristallen bestehen normalerweise aus einem Graphitofen, einem Induktionsheizsystem, einem Tiegel, einem Schutzgas usw. Bei der Modellierung müssen die Komplexität der Ofenstruktur und die Eigenschaften der Heizmethode berücksichtigt werden und der Einfluss der Materialbewegung auf das Strömungsfeld. Mithilfe der dreidimensionalen Modellierung werden die geometrischen Formen von Ofen, Tiegel, Induktionsspule usw. genau rekonstruiert und die thermisch-physikalischen Parameter und Randbedingungen des Materials wie Heizleistung und Gasdurchflussrate berücksichtigt.

Zu den in der CFD-Simulation häufig verwendeten numerischen Methoden gehören die Finite-Volumen-Methode (FVM) und die Finite-Elemente-Methode (FEM). Angesichts der Eigenschaften von SiC-Einkristall-Züchtungsgeräten wird im Allgemeinen die FVM-Methode zur Lösung der Flüssigkeitsströmungs- und Wärmeleitungsgleichungen verwendet. Bei der Vernetzung muss auf die Unterteilung von Schlüsselbereichen wie der Oberfläche des Graphittiegels und dem Wachstumsbereich des Einkristalls geachtet werden, um die Genauigkeit der Simulationsergebnisse sicherzustellen. Der Wachstumsprozess von SiC-Einkristallen umfasst eine Vielzahl physikalischer Prozesse wie Wärmeleitung, Strahlungswärmeübertragung, Flüssigkeitsbewegung usw. Je nach tatsächlicher Situation werden geeignete physikalische Modelle und Randbedingungen für die Simulation ausgewählt. Unter Berücksichtigung der Wärmeleitung und Strahlungswärmeübertragung zwischen dem Graphittiegel und dem SiC-Einkristall müssen beispielsweise geeignete Randbedingungen für die Wärmeübertragung festgelegt werden. Angesichts des Einflusses der Induktionserwärmung auf die Flüssigkeitsbewegung müssen die Randbedingungen der Induktionserwärmungsleistung berücksichtigt werden.

Vor der CFD -Simulation ist es erforderlich, den Simulationszeitschritt, die Konvergenzkriterien und andere Parameter festzulegen und Berechnungen durchzuführen. Während des Simulationsprozesses ist es erforderlich, die Parameter kontinuierlich anzupassen, um die Stabilität und Konvergenz der Simulationsergebnisse zu gewährleisten und die Simulationsergebnisse wie die Temperaturfeldverteilung, die Verteilung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit usw. nachzuarbeiten . Die Genauigkeit der Simulationsergebnisse wird durch Vergleich mit der Temperaturfeldverteilung, der Einzelkristallqualität und anderen Daten im tatsächlichen Wachstumsprozess verifiziert. Gemäß den Simulationsergebnissen werden die Ofenstruktur, die Heizmethode und andere Aspekte optimiert, um die Wachstumseffizienz und die einzelkristische Qualität von SIC -Einzelkristallwachstumsgeräten zu verbessern. Bei der CFD -Simulation des thermischen Felddesigns von SIC -Einzelkristallwachstumsgeräten werden genaue Modelle erstellt, geeignete numerische Methoden ausgewählt und gemischt, physikalische Modelle und Randbedingungen festgelegt, Simulationsparameter festgelegt und berechnet und die Simulationsergebnisse verifizieren und optimieren. Die wissenschaftliche und angemessene CFD -Simulation kann wichtige Referenzen für die Auslegung und Optimierung von SIC -Einzelkristallwachstumsgeräten liefern und die Wachstumseffizienz und die Einzelkristallqualität verbessern.

3.4 Design der Ofenstruktur

In Anbetracht der Tatsache, dass das Wachstum von SIC-Einzelkristall hohe Temperatur, chemische Inertheit und gute thermische Leitfähigkeit erfordert, sollte das Ofenkörpermaterial aus hohen Temperaturen und korrosionsresistenten Materialien wie Siliziumcarbidkeramik (SIC), Graphit usw. ausgewählt werden Hochtemperaturstabilität und chemische Inertheit und ein ideales Ofenkörpermaterial. Die innere Wandoberfläche des Ofenkörpers sollte glatt und gleichmäßig sein, um die thermische Strahlungs- und Wärmeübertragungswiderstand zu verringern und die thermische Feldstabilität zu verbessern. Die Ofenstruktur sollte so weit wie möglich mit weniger strukturellen Schichten vereinfacht werden, um die Konzentration der thermischen Spannung und den übermäßigen Temperaturgradienten zu vermeiden. Eine zylindrische oder rechteckige Struktur wird normalerweise verwendet, um eine gleichmäßige Verteilung und Stabilität des thermischen Feldes zu erleichtern. Heizheizelemente wie Heizspulen und Widerstände werden im Ofen eingestellt, um die Temperaturgleichmäßigkeit und die thermische Feldstabilität zu verbessern und die Qualität und Effizienz des Einkristallwachstums zu gewährleisten. Zu den üblichen Heizmethoden gehören Induktionsheizung, Widerstandserwärmung und Strahlungsheizung. Bei SIC -Einzelkristallwachstumsgeräten wird häufig eine Kombination aus Induktionsheizung und Widerstandserwärmung verwendet. Die Induktionsheizung wird hauptsächlich zur schnellen Erwärmung verwendet, um die Temperaturgleichmäßigkeit und die thermische Feldstabilität zu verbessern. Bei der Erwärmung des Widerstands wird ein konstanter Temperatur- und Temperaturgradient aufrechterhalten, um die Stabilität des Wachstumsprozesses aufrechtzuerhalten. Die Strahlungsheizung kann die Temperaturgleichmäßigkeit im Ofen verbessern, wird jedoch normalerweise als Heizheizmethode verwendet.

4 Fazit

Angesichts der wachsenden Nachfrage nach SIC -Materialien in der Stromversorgungselektronik, der Optoelektronik und anderer Bereiche wird die Entwicklung der SIC -Einzelkristallwachstumstechnologie zu einem wichtigen Bereich der wissenschaftlichen und technologischen Innovation. Als Kern von SIC-Einzelkristallwachstumsgeräten wird das thermische Felddesign weiterhin umfangreiche Aufmerksamkeit und eingehende Forschung erhalten. Zukünftige Entwicklungsrichtungen umfassen die weitere Optimierung der thermischen Feldstruktur und des Kontrollsystems zur Verbesserung der Produktionseffizienz und der Einzelkristallqualität. Erforschung neuer Materialien und Verarbeitungstechnologie zur Verbesserung der Stabilität und Haltbarkeit der Geräte; und Integration intelligenter Technologien, um die automatische Steuerung und Fernüberwachung der Geräte zu erreichen.