SiC Tek Kristal Büyümesi için Termal Alan Tasarımı

1 SiC tek kristal büyütme ekipmanında termal alan tasarımının önemi

SIC tek kristal, güç elektroniği, optoelektronik ve yüksek sıcaklık uygulamalarında yaygın olarak kullanılan önemli bir yarı iletken malzemedir. Termal alan tasarımı, kristalleşme davranışını, kristalin tekdüzeliğini ve safsızlık kontrolünü doğrudan etkiler ve SIC tek kristal büyüme ekipmanının performansı ve çıktısı üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir. SIC tek kristalin kalitesi, cihaz üretimindeki performansını ve güvenilirliğini doğrudan etkiler. Termal alanı rasyonel olarak tasarlayarak, kristal büyümesi sırasında sıcaklık dağılımının homojenliği elde edilebilir, kristaldeki termal stres ve termal gradyan kaçınılabilir, böylece kristal kusurların oluşum oranını azaltabilir. Optimize edilmiş termal alan tasarımı, kristal yüz kalitesini ve kristalizasyon oranını iyileştirebilir, kristalin yapısal bütünlüğünü ve kimyasal saflığını daha da artırabilir ve yetişkin SIC tek kristalin iyi elektrik ve optik özelliklere sahip olmasını sağlayabilir.

SIC tek kristalinin büyüme oranı üretim maliyetini ve kapasitesini doğrudan etkiler. Termal alan rasyonel olarak tasarlanarak, kristal büyüme işlemi sırasında sıcaklık gradyanı ve ısı akışı dağılımı optimize edilebilir ve kristalin büyüme hızı ve büyüme alanının etkili kullanım hızı geliştirilebilir. Termal alan tasarımı, büyüme işlemi sırasında enerji kaybını ve malzeme atıklarını azaltabilir, üretim maliyetlerini azaltabilir ve üretim verimliliğini artırabilir, böylece SIC tek kristallerinin çıktısını artırabilir. SIC tek kristal büyüme ekipmanı genellikle büyük miktarda enerji arzı ve soğutma sistemi gerektirir ve termal alanı rasyonel olarak tasarlamak enerji tüketimini azaltabilir, enerji tüketimini ve çevresel emisyonları azaltabilir. Termal alan yapısını ve ısı akış yolunu optimize ederek enerji en üst düzeye çıkarılabilir ve enerji verimliliğini artırmak ve çevre üzerindeki olumsuz etkileri azaltmak için atık ısı geri dönüştürülebilir.

SIC tek kristal büyüme ekipmanının termal alan tasarımında 2 zorluk

2.1 Malzemelerin ısıl iletkenliğinin eşitsizliği

SiC çok önemli bir yarı iletken malzemedir. Isıl iletkenliği, yüksek sıcaklık stabilitesi ve mükemmel ısıl iletkenlik özelliklerine sahiptir, ancak ısıl iletkenlik dağılımı belirli bir düzensizliğe sahiptir. SiC tek kristal büyütme sürecinde, kristal büyümesinin tekdüzeliğini ve kalitesini sağlamak için termal alanın hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekir. SiC malzemelerinin termal iletkenliğinin tek biçimli olmaması, termal alan dağılımının dengesizliğine yol açacak ve bu da kristal büyümesinin tekdüzeliğini ve kalitesini etkileyecektir. SiC tek kristal büyütme ekipmanı genellikle, büyüme odasında yüksek sıcaklık ortamının korunmasını ve sıcaklık dağılımını hassas bir şekilde kontrol ederek kristal büyümesinin gerçekleştirilmesini gerektiren fiziksel buhar biriktirme (PVT) yöntemini veya gaz fazı taşıma yöntemini kullanır. SiC malzemelerinin termal iletkenliğinin tek biçimli olmaması, büyüme odasında tekdüze olmayan sıcaklık dağılımına yol açacak ve böylece kristal büyüme sürecini etkileyerek kristal kusurlarına veya tekdüze olmayan kristal kalitesine neden olabilecektir. SiC tek kristallerinin büyümesi sırasında, değişen sıcaklık dağılımı yasasını daha iyi anlamak ve simülasyon sonuçlarına göre tasarımı optimize etmek için üç boyutlu dinamik simülasyon ve termal alanın analizinin yapılması gerekmektedir. SiC malzemelerinin ısıl iletkenliğinin tek biçimli olmaması nedeniyle bu simülasyon analizleri belirli bir hata derecesinden etkilenebilir, dolayısıyla termal alanın hassas kontrol ve optimizasyon tasarımını etkileyebilir.

2.2 Ekipman içindeki konveksiyon düzenlemesinin zorluğu

SIC tek kristallerinin büyümesi sırasında, kristallerin homojenliğini ve saflığını sağlamak için katı sıcaklık kontrolü korunmalıdır. Ekipmanın içindeki konveksiyon fenomeni, sıcaklık alanının tekdüzeliğine neden olabilir, böylece kristallerin kalitesini etkileyebilir. Konveksiyon genellikle bir sıcaklık gradyanı oluşturur, bu da kristal yüzey üzerinde düzgün olmayan bir yapıya neden olur, bu da kristallerin performansını ve uygulanmasını etkiler. İyi konveksiyon kontrolü, kristal yüzeyin tekdüzeliğini azaltmaya ve büyüme verimliliğini artırmaya yardımcı olan gaz akış hızını ve yönünü ayarlayabilir. Ekipmanın içindeki karmaşık geometrik yapı ve gaz dinamiği işlemi, konveksiyonu doğru bir şekilde kontrol etmeyi son derece zorlaştırır. Yüksek sıcaklık ortamı, ısı transfer verimliliğinde bir azalmaya yol açacak ve ekipman içindeki sıcaklık gradyanının oluşumunu artıracak, böylece kristal büyümesinin tekdüzeliğini ve kalitesini etkileyecektir. Bazı aşındırıcı gazlar, ekipmanın içindeki malzemeleri ve ısı transfer elemanlarını etkileyebilir, böylece konveksiyonun stabilitesini ve kontrol edilebilirliğini etkileyebilir. SIC tek kristal büyüme ekipmanı genellikle karmaşık bir yapıya ve radyasyon ısı transferi, konveksiyon ısı transferi ve ısı iletimi gibi çoklu ısı transfer mekanizmalarına sahiptir. Bu ısı transfer mekanizmaları birbirleriyle birleştirilir, bu da konveksiyon regülasyonunu daha karmaşık hale getirir, özellikle ekipman içinde çok fazlı akış ve faz değişim süreçleri olduğunda, konveksiyonu doğru bir şekilde modellemek ve kontrol etmek daha zordur.

SiC tek kristal büyütme ekipmanının termal alan tasarımının 3 önemli noktası

3.1 Isıtma gücü dağıtımı ve kontrolü

Termal alan tasarımında, ısıtma gücünün dağıtım modu ve kontrol stratejisi, proses parametrelerine ve kristal büyümesinin gereksinimlerine göre belirlenmelidir. SiC tek kristal büyütme ekipmanı, ısıtma için grafit ısıtma çubukları veya indüksiyon ısıtıcıları kullanır. Termal alanın bütünlüğü ve kararlılığı, ısıtıcının yerleşimi ve güç dağılımının tasarlanmasıyla sağlanabilir. SiC tek kristallerinin büyümesi sırasında sıcaklık homojenliği kristalin kalitesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Isıtma gücünün dağıtımı, termal alandaki sıcaklığın tekdüzeliğini sağlayabilmelidir. Sayısal simülasyon ve deneysel doğrulama yoluyla, ısıtma gücü ve sıcaklık dağılımı arasındaki ilişki belirlenebilir ve daha sonra ısıtma gücü dağıtım şeması, termal alandaki sıcaklık dağılımını daha düzgün ve kararlı hale getirecek şekilde optimize edilebilir. SiC tek kristallerinin büyümesi sırasında, ısıtma gücünün kontrolü, hassas düzenleme ve kararlı sıcaklık kontrolü sağlayabilmelidir. PID kontrolörü veya bulanık kontrolör gibi otomatik kontrol algoritmaları, termal alandaki sıcaklığın stabilitesini ve tekdüzeliğini sağlamak için sıcaklık sensörleri tarafından geri beslenen gerçek zamanlı sıcaklık verilerine dayalı olarak ısıtma gücünün kapalı döngü kontrolünü sağlamak için kullanılabilir. SiC tek kristallerinin büyümesi sırasında, ısıtma gücünün boyutu kristal büyüme hızını doğrudan etkileyecektir. Isıtma gücünün kontrolü, kristal büyüme hızının hassas bir şekilde düzenlenmesini sağlayabilmelidir. Isıtma gücü ile kristal büyüme hızı arasındaki ilişkiyi analiz ederek ve deneysel olarak doğrulayarak, kristal büyüme hızının hassas kontrolünü sağlamak için makul bir ısıtma gücü kontrol stratejisi belirlenebilir. SiC tek kristal büyütme ekipmanının çalışması sırasında ısıtma gücünün stabilitesi, kristal büyümesinin kalitesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Isıtma gücünün kararlılığını ve güvenilirliğini sağlamak için istikrarlı ve güvenilir ısıtma ekipmanı ve kontrol sistemleri gereklidir. Ekipmanın normal çalışmasını ve istikrarlı ısıtma gücü çıkışını sağlamak için ısıtma ekipmanındaki arızaları ve sorunları zamanında tespit etmek ve çözmek için ısıtma ekipmanının düzenli olarak bakımı ve servisi yapılmalıdır. Isıtma gücü dağıtım şemasını rasyonel bir şekilde tasarlayarak, ısıtma gücü ve sıcaklık dağılımı arasındaki ilişkiyi göz önünde bulundurarak, ısıtma gücünün hassas kontrolünü gerçekleştirerek ve ısıtma gücünün stabilitesini ve güvenilirliğini sağlayarak, SiC tek kristal büyütme ekipmanının büyüme verimliliği ve kristal kalitesi, etkili bir şekilde iyileştirilebilir ve SiC tek kristal büyüme teknolojisinin ilerlemesi ve gelişimi teşvik edilebilir.

3.2 Sıcaklık kontrol sisteminin tasarımı ve ayarlanması

Sıcaklık kontrol sistemi tasarlanmadan önce, sıcaklık alanının dağılımını elde etmek için SIC tek kristallerinin büyümesi sırasında ısı iletimi, konveksiyon ve radyasyon gibi ısı transfer işlemlerini simüle etmek ve hesaplamak için sayısal simülasyon analizi gereklidir. Deneysel doğrulama yoluyla, sayısal simülasyon sonuçları, ısıtma gücü, ısıtma alanı düzeni ve sıcaklık sensörü konumu gibi sıcaklık kontrol sisteminin tasarım parametrelerini belirlemek için düzeltilir ve ayarlanır. SIC tek kristallerinin büyümesi sırasında, direnç ısıtma veya indüksiyon ısıtması genellikle ısıtma için kullanılır. Uygun bir ısıtma elemanı seçmek gerekir. Direnç ısıtma için, bir ısıtma elemanı olarak yüksek sıcaklıkta direnç teli veya bir direnç fırını seçilebilir; İndüksiyon ısıtması için uygun bir indüksiyon ısıtma bobini veya indüksiyon ısıtma plakası seçilmelidir. Bir ısıtma elemanı seçerken, ısıtma verimliliği, ısıtma homojenliği, yüksek sıcaklık direnci ve termal alan stabilitesi üzerindeki etkinin dikkate alınması gerekir. Sıcaklık kontrol sisteminin tasarımı sadece sıcaklığın stabilitesini ve tekdüzeliğini değil, aynı zamanda sıcaklık ayarlama doğruluğunu ve tepki hızını da dikkate almalıdır. Sıcaklığın doğru kontrolünü ve ayarlanmasını sağlamak için PID kontrolü, bulanık kontrol veya sinir ağı kontrolü gibi makul bir sıcaklık kontrol stratejisi tasarlamak gerekir. Ayrıca, tüm termal alanın düzgün ve kararlı sıcaklık dağılımını sağlamak için çok noktalı bağlantı ayarı, yerel tazminat ayarı veya geri bildirim ayarı gibi uygun bir sıcaklık ayar şeması tasarlamak gerekir. SIC tek kristallerinin büyümesi sırasında sıcaklığın kesin izlenmesini ve kontrolünü gerçekleştirmek için gelişmiş sıcaklık algılama teknolojisi ve kontrolör ekipmanlarını benimsemek gerekir. Her alandaki sıcaklık değişikliklerini gerçek zamanlı olarak izlemek için termokupllar, termal dirençler veya kızılötesi termometreler gibi yüksek hassasiyetli sıcaklık sensörlerini seçebilir ve PLC denetleyicisi (bkz. Şekil 1) veya DSP kontrolör gibi yüksek performanslı sıcaklık kontrolör ekipmanı seçebilirsiniz. , ısıtma elemanlarının kesin kontrolünü ve ayarlanmasını sağlamak için. Tasarım parametrelerini sayısal simülasyon ve deneysel doğrulama yöntemlerine dayalı olarak belirleyerek, uygun ısıtma yöntemlerini ve ısıtma elemanlarını seçerek, makul sıcaklık kontrol stratejileri ve ayarlama şemaları tasarlayarak ve gelişmiş sıcaklık algılama teknolojisi ve kontrolör ekipmanlarının kesin kontrolünü ve ayarlanmasını sağlayabilirsiniz. SIC tek kristallerinin büyümesi sırasında sıcaklık ve tek kristallerin kalitesini ve verimini iyileştirir.

3.3 Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Simülasyonu

Doğru bir model oluşturmak, Hesaplamalı Akışkan Dinamiği (CFD) simülasyonunun temelidir. SIC tek kristal büyüme ekipmanı genellikle bir grafit fırın, bir indüksiyon ısıtma sistemi, bir pota, koruyucu bir gaz vb. ve malzeme hareketinin akış alanı üzerindeki etkisi. Üç boyutlu modelleme, fırının geometrik şekillerini doğru bir şekilde yeniden yapılandırmak için kullanılır, pota, indüksiyon bobini vb. Ve ısıtma gücü ve gaz akış hızı gibi malzemenin termal fiziksel parametrelerini ve sınır koşullarını göz önünde bulundurur.

CFD simülasyonunda yaygın olarak kullanılan sayısal yöntemler arasında sonlu hacim yöntemi (FVM) ve sonlu elemanlar yöntemi (FEM) bulunur. SiC tek kristal büyütme ekipmanının özellikleri göz önüne alındığında, FVM yöntemi genellikle sıvı akışı ve ısı iletimi denklemlerini çözmek için kullanılır. Meshleme açısından, simülasyon sonuçlarının doğruluğunu sağlamak için grafit pota yüzeyi ve tek kristal büyüme alanı gibi anahtar alanların alt bölümlere ayrılmasına dikkat etmek gerekir. SiC tek kristalinin büyüme süreci, ısı iletimi, radyasyonla ısı transferi, sıvı hareketi vb. gibi çeşitli fiziksel süreçleri içerir. Gerçek duruma göre simülasyon için uygun fiziksel modeller ve sınır koşulları seçilir. Örneğin, grafit pota ile SiC tek kristali arasındaki ısı iletimi ve radyasyonla ısı transferi göz önüne alındığında, uygun ısı transferi sınır koşullarının ayarlanması gerekir; İndüksiyonla ısıtmanın sıvı hareketi üzerindeki etkisi göz önüne alındığında, indüksiyonla ısıtma gücünün sınır koşullarının dikkate alınması gerekir.

CFD simülasyonundan önce, simülasyon süresi adımını, yakınsama kriterlerini ve diğer parametreleri ayarlamak ve hesaplamalar yapmak gerekir. Simülasyon işlemi sırasında, simülasyon sonuçlarının stabilitesini ve yakınsamasını sağlamak için parametrelerin sürekli olarak ayarlanması ve daha fazla analiz ve optimizasyon için sıcaklık alanı dağılımı, sıvı hızı dağılımı vb. . Simülasyon sonuçlarının doğruluğu, gerçek büyüme sürecindeki sıcaklık alanı dağılımı, tek kristal kalitesi ve diğer verilerle karşılaştırılarak doğrulanır. Simülasyon sonuçlarına göre, fırın yapısı, ısıtma yöntemi ve diğer yönler, SIC tek kristal büyüme ekipmanının büyüme verimliliğini ve tek kristal kalitesini artırmak için optimize edilmiştir. SIC tek kristal büyüme ekipmanının termal alan tasarımının CFD simülasyonu, doğru modellerin oluşturulmasını, uygun sayısal yöntemlerin seçilmesini ve örgülerin belirlenmesini, fiziksel modellerin ve sınır koşullarının belirlenmesini, simülasyon parametrelerinin ayarlanmasını ve hesaplanmasını ve simülasyon sonuçlarının doğrulanmasını ve optimize edilmesini içerir. Bilimsel ve makul CFD simülasyonu, SIC tek kristal büyüme ekipmanının tasarımı ve optimizasyonu için önemli referanslar sağlayabilir ve büyüme verimliliğini ve tek kristal kalitesini artırabilir.

3.4 Fırın yapı tasarımı

SIC tek kristal büyümesinin yüksek sıcaklık, kimyasal inertlik ve iyi termal iletkenlik gerektirdiği göz önüne alındığında, fırın gövdesi malzemesi, silikon karbür seramikleri (sic), grafit vb. Gibi yüksek sıcaklık ve korozyona dayanıklı malzemelerden seçilmelidir. Yüksek sıcaklık stabilitesi ve kimyasal inertlik ve ideal bir fırın gövdesi malzemesidir. Fırın gövdesinin iç duvar yüzeyi termal radyasyon ve ısı transfer direncini azaltmak ve termal alan stabilitesini artırmak için pürüzsüz ve düzgün olmalıdır. Fırın yapısı, termal stres konsantrasyonunu ve aşırı sıcaklık gradyanını önlemek için daha az yapısal katmanla mümkün olduğunca basitleştirilmelidir. Silindirik veya dikdörtgen bir yapı genellikle termal alanın düzgün dağılımını ve stabilitesini kolaylaştırmak için kullanılır. Isıtma bobinleri ve dirençler gibi yardımcı ısıtma elemanları, sıcaklık homojenliğini ve termal alan stabilitesini artırmak ve tek kristal büyümenin kalitesini ve verimliliğini sağlamak için fırının içine yerleştirilir. Yaygın ısıtma yöntemleri, indüksiyon ısıtma, direnç ısıtma ve radyasyon ısıtma içerir. SIC tek kristal büyüme ekipmanında, indüksiyon ısıtma ve direnç ısıtmasının bir kombinasyonu sıklıkla kullanılır. İndüksiyon ısıtması esas olarak sıcaklık homojenliğini ve termal alan stabilitesini artırmak için hızlı ısıtma için kullanılır; Direnç ısıtma, büyüme sürecinin stabilitesini korumak için sabit bir sıcaklık ve sıcaklık gradyanını korumak için kullanılır. Radyasyon ısıtması fırın içindeki sıcaklık homojenliğini artırabilir, ancak genellikle yardımcı ısıtma yöntemi olarak kullanılır.

4 Sonuç

Güç elektroniği, optoelektronik ve diğer alanlarda SiC malzemelerine olan talebin artmasıyla birlikte SiC tek kristal büyütme teknolojisinin geliştirilmesi, bilimsel ve teknolojik yeniliklerin önemli bir alanı haline gelecektir. SiC tek kristal büyütme ekipmanının temeli olan termal alan tasarımı, yoğun ilgi görmeye ve derinlemesine araştırmalara konu olmaya devam edecektir. Gelecekteki geliştirme yönleri arasında, üretim verimliliğini ve tek kristal kalitesini artırmak için termal alan yapısının ve kontrol sisteminin daha da optimize edilmesi; Ekipman stabilitesini ve dayanıklılığını artırmak için yeni malzemeler ve işleme teknolojilerinin araştırılması; ve ekipmanın otomatik kontrolünü ve uzaktan izlenmesini sağlamak için akıllı teknolojinin entegre edilmesi.