طراحی میدان حرارتی برای رشد کریستال تک SIC

1 اهمیت طراحی میدان حرارتی در تجهیزات رشد تک کریستال SiC

SIC Single Crystal یک ماده نیمه هادی مهم است که به طور گسترده در الکترونیک برق ، نوری الکتریک و کاربردهای درجه حرارت بالا مورد استفاده قرار می گیرد. طراحی میدان حرارتی به طور مستقیم بر رفتار تبلور ، یکنواختی و کنترل ناخالصی کریستال تأثیر می گذارد و تأثیر تعیین کننده ای بر عملکرد و خروجی تجهیزات رشد کریستالی تک SIC دارد. کیفیت کریستال SIC به طور مستقیم بر عملکرد و قابلیت اطمینان آن در تولید دستگاه تأثیر می گذارد. با طراحی منطقی میدان حرارتی ، یکنواختی توزیع دما در طول رشد کریستال قابل دستیابی است ، می توان از استرس حرارتی و شیب حرارتی در کریستال جلوگیری کرد ، در نتیجه میزان تشکیل نقص کریستالی را کاهش می دهد. طراحی میدان حرارتی بهینه شده همچنین می تواند کیفیت چهره کریستال و میزان تبلور را بهبود بخشد ، بیشتر یکپارچگی ساختاری و خلوص شیمیایی کریستال را بهبود بخشد و اطمینان حاصل کند که کریستال تک رشد یافته SIC دارای خاصیت الکتریکی و نوری خوبی است.

نرخ رشد تک کریستال SiC به طور مستقیم بر هزینه و ظرفیت تولید تأثیر می گذارد. با طراحی منطقی میدان حرارتی، گرادیان دما و توزیع جریان گرما در طول فرآیند رشد کریستال را می توان بهینه کرد و نرخ رشد کریستال و نرخ بهره برداری موثر از ناحیه رشد را بهبود بخشید. طراحی میدان حرارتی همچنین می‌تواند اتلاف انرژی و ضایعات مواد را در طول فرآیند رشد کاهش دهد، هزینه‌های تولید را کاهش دهد و راندمان تولید را بهبود بخشد و در نتیجه خروجی تک بلورهای SiC را افزایش دهد. تجهیزات رشد تک کریستال SiC معمولاً به مقدار زیادی از منبع انرژی و سیستم خنک کننده نیاز دارند و طراحی منطقی میدان حرارتی می تواند مصرف انرژی، کاهش مصرف انرژی و انتشارات محیطی را کاهش دهد. با بهینه سازی ساختار میدان حرارتی و مسیر جریان گرما، انرژی را می توان به حداکثر رساند و گرمای اتلاف را می توان برای بهبود بهره وری انرژی و کاهش اثرات منفی بر محیط زیست بازیافت کرد.

2 مشکل در طراحی میدان حرارتی تجهیزات رشد کریستالی SIC

2.1 عدم یکنواختی هدایت حرارتی مواد

SIC یک ماده نیمه هادی بسیار مهم است. هدایت حرارتی آن از ویژگی های ثبات دمای بالا و هدایت حرارتی عالی برخوردار است ، اما توزیع هدایت حرارتی آن دارای یکنواختی خاصی است. در فرآیند رشد کریستال تک SIC ، به منظور اطمینان از یکنواختی و کیفیت رشد کریستال ، میدان حرارتی باید دقیقاً کنترل شود. عدم یکنواختی هدایت حرارتی مواد SIC منجر به بی ثباتی توزیع میدان حرارتی می شود که به نوبه خود بر یکنواختی و کیفیت رشد کریستال تأثیر می گذارد. تجهیزات رشد کریستالی تک SIC معمولاً روش رسوب فیزیکی بخار (PVT) یا روش حمل و نقل فاز گاز را اتخاذ می کند ، که نیاز به حفظ محیط دمای بالا در محفظه رشد و تحقق رشد کریستال با کنترل دقیق توزیع دما دارد. عدم یکنواختی هدایت حرارتی مواد SIC منجر به توزیع دمای غیر یکنواخت در محفظه رشد می شود و از این طریق بر فرآیند رشد کریستال تأثیر می گذارد ، که ممکن است باعث نقص کریستالی یا کیفیت کریستال غیر یکنواخت شود. در طول رشد کریستال های تک SIC ، لازم است که شبیه سازی و تجزیه و تحلیل پویا سه بعدی و تجزیه و تحلیل میدان حرارتی به منظور درک بهتر قانون در حال تغییر توزیع دما و بهینه سازی طرح بر اساس نتایج شبیه سازی انجام شود. با توجه به عدم یکنواختی هدایت حرارتی مواد SIC ، این تجزیه و تحلیل شبیه سازی ممکن است تحت تأثیر درجه خاصی از خطا باشد ، بنابراین بر کنترل دقیق و بهینه سازی میدان حرارتی تأثیر می گذارد.

2.2 دشواری تنظیم همرفت در داخل تجهیزات

در طول رشد کریستال های تک SIC ، برای اطمینان از یکنواختی و خلوص کریستال ها باید کنترل دما سخت حفظ شود. پدیده همرفت در داخل تجهیزات ممکن است باعث عدم یکنواختی میدان دما شود و از این طریق بر کیفیت کریستال ها تأثیر بگذارد. همرفت معمولاً یک گرادیان دما را تشکیل می دهد و در نتیجه یک ساختار غیر یکنواخت بر روی سطح کریستال ایجاد می شود که به نوبه خود بر عملکرد و استفاده از کریستال ها تأثیر می گذارد. کنترل همرفت خوب می تواند سرعت و جهت جریان گاز را تنظیم کند ، که به کاهش یکنواختی سطح کریستال و بهبود راندمان رشد کمک می کند. ساختار هندسی پیچیده و فرآیند پویایی گاز در داخل تجهیزات ، کنترل دقیق همرفت را بسیار دشوار می کند. محیط با درجه حرارت بالا منجر به کاهش راندمان انتقال حرارت و افزایش شکل گیری گرادیان دما در داخل تجهیزات می شود ، بنابراین بر یکنواختی و کیفیت رشد کریستال تأثیر می گذارد. برخی از گازهای خورنده ممکن است بر مواد و عناصر انتقال حرارت در داخل تجهیزات تأثیر بگذارد و از این طریق بر پایداری و کنترل همرفت تأثیر بگذارد. تجهیزات رشد کریستالی SIC معمولاً دارای ساختار پیچیده و مکانیسم های انتقال حرارت چندگانه مانند انتقال حرارت تابش ، انتقال حرارت همرفت و هدایت گرما هستند. این مکانیسم های انتقال حرارت با یکدیگر همراه هستند و تنظیم همرفت را پیچیده تر می کند ، به خصوص هنگامی که فرآیندهای تغییر چند فاز و تغییر فاز در داخل تجهیزات وجود دارد ، مدل سازی دقیق و کنترل همرفت دشوارتر است.

3 نقطه کلیدی طراحی میدان حرارتی تجهیزات رشد کریستالی SIC

3.1 توزیع و کنترل نیروی گرمایشی

در طراحی میدان حرارتی ، حالت توزیع و استراتژی کنترل قدرت گرمایش باید با توجه به پارامترهای فرآیند و الزامات رشد کریستال تعیین شود. تجهیزات رشد کریستالی تک SIC از میله های گرمایش گرافیت یا بخاری های القایی برای گرمایش استفاده می کنند. یکنواختی و پایداری میدان حرارتی را می توان با طراحی طرح و توزیع برق بخاری حاصل کرد. در طول رشد کریستال های تک SIC ، یکنواختی دما تأثیر مهمی بر کیفیت کریستال دارد. توزیع توان گرمایش باید بتواند یکنواختی دما را در میدان حرارتی تضمین کند. از طریق شبیه سازی عددی و تأیید تجربی ، می توان رابطه بین قدرت گرمایش و توزیع دما را تعیین کرد و سپس می توان طرح توزیع انرژی گرمایش را بهینه کرد تا توزیع دما در میدان حرارتی یکنواخت تر و پایدار باشد. در طول رشد کریستال های تک SIC ، کنترل قدرت گرمایش باید بتواند به تنظیم دقیق و کنترل پایدار دما دست یابد. از الگوریتم های کنترل خودکار مانند کنترلر PID یا کنترلر فازی می توان برای دستیابی به کنترل حلقه بسته قدرت گرمایش بر اساس داده های دمای واقعی که توسط سنسورهای دما تغذیه می شوند ، استفاده شود تا از پایداری و یکنواختی دما در میدان حرارتی اطمینان حاصل شود. در طول رشد کریستال های تک SIC ، اندازه توان گرمایش به طور مستقیم بر سرعت رشد کریستال تأثیر می گذارد. کنترل قدرت گرمایش باید بتواند به تنظیم دقیق سرعت رشد کریستال برسد. با تجزیه و تحلیل و تأیید تجربی رابطه بین قدرت گرمایش و سرعت رشد کریستال ، می توان یک استراتژی کنترل قدرت گرمایش معقول را برای دستیابی به کنترل دقیق سرعت رشد کریستال تعیین کرد. در حین بهره برداری از تجهیزات رشد کریستالی تک SIC ، پایداری قدرت گرمایش تأثیر مهمی بر کیفیت رشد کریستال دارد. تجهیزات گرمایش پایدار و قابل اعتماد و سیستم های کنترل برای اطمینان از ثبات و قابلیت اطمینان قدرت گرمایش مورد نیاز است. تجهیزات گرمایشی باید به طور مرتب نگهداری و سرویس دهی شود تا به موقع گسل ها و مشکلات موجود در تجهیزات گرمایش را کشف و حل کند تا از عملکرد عادی تجهیزات و خروجی پایدار توان گرمایش اطمینان حاصل شود. با طراحی منطقی طرح توزیع انرژی گرمایش ، با توجه به رابطه بین قدرت گرمایش و توزیع دما ، تحقق کنترل دقیق قدرت گرمایش و اطمینان از پایداری و قابلیت اطمینان قدرت گرمایش ، راندمان رشد و کیفیت کریستال تجهیزات رشد کریستال تک SIC می تواند باشد به طور مؤثر بهبود یافته است ، و پیشرفت و پیشرفت فناوری رشد کریستال تک SIC می تواند ارتقا یابد.

3.2 طراحی و تنظیم سیستم کنترل دما

قبل از طراحی سیستم کنترل دما، تجزیه و تحلیل شبیه سازی عددی برای شبیه سازی و محاسبه فرآیندهای انتقال حرارت مانند هدایت گرما، همرفت و تابش در طول رشد تک بلورهای SiC برای بدست آوردن توزیع میدان دما مورد نیاز است. از طریق تأیید تجربی، نتایج شبیه‌سازی عددی برای تعیین پارامترهای طراحی سیستم کنترل دما، مانند قدرت گرمایش، طرح منطقه گرمایش، و مکان سنسور دما، تصحیح و تنظیم می‌شوند. در طول رشد تک بلورهای SiC، معمولاً از گرمایش مقاومتی یا گرمایش القایی برای گرم کردن استفاده می شود. انتخاب یک عنصر گرمایش مناسب ضروری است. برای گرمایش مقاومتی، یک سیم مقاومت در برابر درجه حرارت بالا یا یک کوره مقاومتی را می توان به عنوان عنصر گرمایش انتخاب کرد. برای گرمایش القایی، یک سیم پیچ گرمایش القایی مناسب یا صفحه گرمایش القایی باید انتخاب شود. هنگام انتخاب عنصر گرمایش، عواملی مانند راندمان گرمایش، یکنواختی گرمایش، مقاومت در برابر دمای بالا و تأثیر بر پایداری میدان حرارتی باید در نظر گرفته شود. طراحی سیستم کنترل دما نه تنها باید پایداری و یکنواختی دما، بلکه دقت تنظیم دما و سرعت پاسخ را نیز در نظر بگیرد. برای دستیابی به کنترل و تنظیم دقیق دما، طراحی یک استراتژی کنترل دما معقول، مانند کنترل PID، کنترل فازی یا کنترل شبکه عصبی ضروری است. همچنین طراحی یک طرح تنظیم دما مناسب، مانند تنظیم اتصال چند نقطه، تنظیم جبران موضعی یا تنظیم بازخورد، برای اطمینان از توزیع یکنواخت و پایدار دمای کل میدان حرارتی ضروری است. به منظور تحقق نظارت و کنترل دقیق دما در طول رشد تک بلورهای SiC، لازم است از تکنولوژی پیشرفته سنجش دما و تجهیزات کنترل کننده استفاده شود. شما می توانید سنسورهای دما با دقت بالا مانند ترموکوپل ها، مقاومت های حرارتی یا دماسنج های مادون قرمز را برای نظارت بر تغییرات دما در هر منطقه به صورت بلادرنگ انتخاب کنید و تجهیزات کنترل کننده دما با عملکرد بالا مانند کنترل کننده PLC (نگاه کنید به شکل 1) یا کنترل کننده DSP را انتخاب کنید. ، برای دستیابی به کنترل و تنظیم دقیق عناصر گرمایشی. با تعیین پارامترهای طراحی بر اساس روش‌های شبیه‌سازی عددی و تأیید تجربی، انتخاب روش‌های گرمایشی و عناصر گرمایشی مناسب، طراحی استراتژی‌های کنترل دما و طرح‌های تنظیم معقول و استفاده از فناوری پیشرفته سنجش دما و تجهیزات کنترل‌کننده، می‌توان به طور موثر به کنترل و تنظیم دقیق دما دست یافت. درجه حرارت در طول رشد تک بلورهای SiC و بهبود کیفیت و عملکرد تک بلورها.

3.3 شبیه سازی دینامیک سیال محاسباتی

ایجاد یک مدل دقیق اساس شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است. تجهیزات رشد تک بلور SiC معمولاً از یک کوره گرافیتی، یک سیستم گرمایش القایی، یک بوته، یک گاز محافظ و غیره تشکیل شده است. در فرآیند مدل سازی، لازم است پیچیدگی ساختار کوره، ویژگی های روش گرمایش در نظر گرفته شود و تأثیر حرکت مواد در میدان جریان. مدل سازی سه بعدی برای بازسازی دقیق اشکال هندسی کوره، بوته، کویل القایی و غیره و در نظر گرفتن پارامترهای فیزیکی حرارتی و شرایط مرزی مواد مانند قدرت گرمایش و سرعت جریان گاز استفاده می شود.

در شبیه‌سازی CFD، روش‌های عددی رایج شامل روش حجم محدود (FVM) و روش اجزای محدود (FEM) است. با توجه به ویژگی های تجهیزات رشد تک کریستال SiC، روش FVM به طور کلی برای حل معادلات جریان سیال و هدایت گرما استفاده می شود. از نظر مش بندی، برای اطمینان از صحت نتایج شبیه سازی، لازم است به تقسیم نواحی کلیدی مانند سطح بوته گرافیتی و ناحیه رشد تک بلور توجه شود. فرآیند رشد تک کریستال SiC شامل فرآیندهای فیزیکی مختلفی مانند هدایت گرما، انتقال حرارت تشعشع، حرکت سیال و غیره است. با توجه به وضعیت واقعی، مدل‌های فیزیکی مناسب و شرایط مرزی برای شبیه‌سازی انتخاب می‌شوند. برای مثال، با توجه به انتقال حرارت و انتقال حرارت تشعشع بین بوته گرافیتی و تک بلور SiC، شرایط مرزی انتقال حرارت مناسب باید تنظیم شود. با توجه به تأثیر گرمایش القایی بر حرکت سیال، شرایط مرزی توان گرمایش القایی باید در نظر گرفته شود.

قبل از شبیه سازی CFD ، لازم است مرحله زمان شبیه سازی ، معیارهای همگرایی و سایر پارامترها را تنظیم کرده و محاسبات را انجام دهید. در طی فرآیند شبیه سازی ، لازم است که پارامترها را به طور مداوم تنظیم کنید تا از ثبات و همگرایی نتایج شبیه سازی اطمینان حاصل شود و نتایج شبیه سازی مانند توزیع میدان دما ، توزیع سرعت سیال و غیره را برای تجزیه و تحلیل بیشتر و بهینه سازی پس از پردازش انجام دهید. بشر صحت نتایج شبیه سازی با مقایسه با توزیع میدان دما ، کیفیت تک کریستال و سایر داده ها در فرآیند رشد واقعی تأیید می شود. با توجه به نتایج شبیه سازی ، ساختار کوره ، روش گرمایش و جنبه های دیگر برای بهبود راندمان رشد و کیفیت کریستال تک تجهیزات رشد کریستالی SIC بهینه شده است. شبیه سازی CFD از طراحی میدان حرارتی تجهیزات رشد کریستالی SIC شامل ایجاد مدلهای دقیق ، انتخاب روشهای عددی مناسب و مشبک ، تعیین مدل های فیزیکی و شرایط مرزی ، تنظیم و محاسبه پارامترهای شبیه سازی و تأیید و بهینه سازی نتایج شبیه سازی است. شبیه سازی علمی و معقول CFD می تواند منابع مهمی را برای طراحی و بهینه سازی تجهیزات رشد کریستالی تک SIC و بهبود راندمان رشد و کیفیت تک کریستال ارائه دهد.

3.4 طراحی ساختار کوره

با توجه به اینکه رشد کریستال تک SIC به درجه حرارت بالا ، عدم تحرک شیمیایی و هدایت حرارتی خوب نیاز دارد ، باید مواد بدن کوره از مواد مقاوم در برابر درجه حرارت و خوردگی ، مانند سرامیک کاربید سیلیکون (SIC) ، گرافیت و غیره انتخاب شود. پایداری درجه حرارت بالا و عدم تحرک شیمیایی ، و یک ماده بدن کوره ایده آل است. سطح دیواره داخلی بدنه کوره باید صاف و یکنواخت باشد تا تابش حرارتی و مقاومت انتقال حرارت را کاهش داده و پایداری میدان حرارتی را بهبود بخشد. ساختار کوره باید تا حد امکان ساده شود ، با لایه های ساختاری کمتری برای جلوگیری از غلظت استرس حرارتی و گرادیان بیش از حد درجه حرارت. از ساختار استوانه ای یا مستطیلی معمولاً برای تسهیل توزیع یکنواخت و پایداری میدان حرارتی استفاده می شود. عناصر گرمایشی کمکی مانند کویل های گرمایش و مقاومت در داخل کوره تنظیم شده اند تا یکنواختی دما و ثبات میدان حرارتی را بهبود بخشند و از کیفیت و کارآیی رشد کریستال تک اطمینان حاصل کنند. روشهای گرمایشی متداول شامل گرمایش القایی ، گرمایش مقاومت و گرمایش تابش است. در تجهیزات رشد کریستالی تک SIC ، ترکیبی از گرمایش القایی و گرمایش مقاومت اغلب استفاده می شود. گرمایش القایی عمدتاً برای گرمایش سریع برای بهبود یکنواختی دما و پایداری میدان حرارتی استفاده می شود. از گرمایش مقاومت برای حفظ شیب دما و دما ثابت برای حفظ پایداری فرآیند رشد استفاده می شود. گرمایش تابش می تواند یکنواختی دما را در داخل کوره بهبود بخشد ، اما معمولاً از آن به عنوان یک روش گرمایش کمکی استفاده می شود.

4 نتیجه گیری

با افزایش تقاضا برای مواد SiC در الکترونیک قدرت، اپتوالکترونیک و سایر زمینه ها، توسعه فناوری رشد تک کریستال SiC به یک حوزه کلیدی از نوآوری های علمی و فناوری تبدیل خواهد شد. به عنوان هسته تجهیزات رشد تک کریستال SiC، طراحی میدان حرارتی همچنان مورد توجه گسترده و تحقیقات عمیق قرار خواهد گرفت. جهت توسعه آینده شامل بهینه سازی بیشتر ساختار میدان حرارتی و سیستم کنترل برای بهبود راندمان تولید و کیفیت تک کریستال است. کاوش مواد جدید و فناوری پردازش برای بهبود پایداری و دوام تجهیزات؛ و یکپارچه سازی فناوری هوشمند برای دستیابی به کنترل خودکار و نظارت از راه دور تجهیزات.