Projeto de campo térmico para crescimento de cristal único de SiC

1 Importância do projeto de campo térmico em equipamentos de crescimento de cristal único de SiC

O cristal único SiC é um importante material semicondutor, amplamente utilizado em eletrônica de potência, optoeletrônica e aplicações de alta temperatura. O projeto do campo térmico afeta diretamente o comportamento de cristalização, a uniformidade e o controle de impurezas do cristal e tem uma influência decisiva no desempenho e na produção do equipamento de crescimento de cristal único de SiC. A qualidade do cristal único SiC afeta diretamente seu desempenho e confiabilidade na fabricação do dispositivo. Ao projetar racionalmente o campo térmico, a uniformidade da distribuição de temperatura durante o crescimento do cristal pode ser alcançada, o estresse térmico e o gradiente térmico no cristal podem ser evitados, reduzindo assim a taxa de formação de defeitos do cristal. O design otimizado do campo térmico também pode melhorar a qualidade da face do cristal e a taxa de cristalização, melhorar ainda mais a integridade estrutural e a pureza química do cristal e garantir que o único cristal de SiC cultivado tenha boas propriedades elétricas e ópticas.

A taxa de crescimento do cristal único de SiC afeta diretamente o custo e a capacidade de produção. Ao projetar racionalmente o campo térmico, o gradiente de temperatura e a distribuição do fluxo de calor durante o processo de crescimento do cristal podem ser otimizados, e a taxa de crescimento do cristal e a taxa de utilização efetiva da área de crescimento podem ser melhoradas. O projeto do campo térmico também pode reduzir a perda de energia e o desperdício de material durante o processo de crescimento, reduzir os custos de produção e melhorar a eficiência da produção, aumentando assim a produção de monocristais de SiC. O equipamento de crescimento de cristal único SiC geralmente requer uma grande quantidade de fornecimento de energia e sistema de resfriamento, e projetar racionalmente o campo térmico pode reduzir o consumo de energia, reduzir o consumo de energia e as emissões ambientais. Ao otimizar a estrutura do campo térmico e o caminho do fluxo de calor, a energia pode ser maximizada e o calor residual pode ser reciclado para melhorar a eficiência energética e reduzir os impactos negativos no meio ambiente.

2 Dificuldades no projeto de campo térmico de equipamentos de crescimento de cristal único de SiC

2.1 Não uniformidade de condutividade térmica dos materiais

SiC é um material semicondutor muito importante. Sua condutividade térmica possui características de estabilidade em altas temperaturas e excelente condutividade térmica, mas sua distribuição de condutividade térmica apresenta certa não uniformidade. No processo de crescimento de cristal único de SiC, para garantir a uniformidade e a qualidade do crescimento do cristal, o campo térmico precisa ser controlado com precisão. A não uniformidade da condutividade térmica dos materiais de SiC levará à instabilidade da distribuição do campo térmico, o que por sua vez afeta a uniformidade e a qualidade do crescimento do cristal. O equipamento de crescimento de cristal único SiC geralmente adota o método de deposição física de vapor (PVT) ou método de transporte em fase gasosa, que requer a manutenção de um ambiente de alta temperatura na câmara de crescimento e a realização do crescimento do cristal controlando com precisão a distribuição de temperatura. A não uniformidade da condutividade térmica dos materiais de SiC levará a uma distribuição de temperatura não uniforme na câmara de crescimento, afetando assim o processo de crescimento do cristal, o que pode causar defeitos no cristal ou qualidade do cristal não uniforme. Durante o crescimento dos monocristais de SiC, é necessário realizar simulação dinâmica tridimensional e análise do campo térmico para compreender melhor a mudança da lei da distribuição de temperatura e otimizar o projeto com base nos resultados da simulação. Devido à não uniformidade da condutividade térmica dos materiais de SiC, essas análises de simulação podem ser afetadas por um certo grau de erro, afetando assim o controle preciso e o projeto de otimização do campo térmico.

2.2 Dificuldade de regulação da convecção no interior do equipamento

Durante o crescimento dos monocristais de SiC, é necessário manter um controle rigoroso da temperatura para garantir a uniformidade e a pureza dos cristais. O fenômeno de convecção no interior do equipamento pode causar a não uniformidade do campo de temperatura, afetando assim a qualidade dos cristais. A convecção geralmente forma um gradiente de temperatura, resultando em uma estrutura não uniforme na superfície do cristal, o que por sua vez afeta o desempenho e a aplicação dos cristais. Um bom controle de convecção pode ajustar a velocidade e direção do fluxo de gás, o que ajuda a reduzir a não uniformidade da superfície do cristal e melhorar a eficiência de crescimento. A complexa estrutura geométrica e o processo de dinâmica dos gases dentro do equipamento tornam extremamente difícil o controle preciso da convecção. O ambiente de alta temperatura levará a uma diminuição na eficiência da transferência de calor e aumentará a formação de gradiente de temperatura dentro do equipamento, afetando assim a uniformidade e a qualidade do crescimento do cristal. Alguns gases corrosivos podem afetar os materiais e elementos de transferência de calor dentro do equipamento, afetando assim a estabilidade e controlabilidade da convecção. O equipamento de crescimento de cristal único SiC geralmente possui uma estrutura complexa e vários mecanismos de transferência de calor, como transferência de calor por radiação, transferência de calor por convecção e condução de calor. Esses mecanismos de transferência de calor são acoplados entre si, tornando a regulação da convecção mais complicada, principalmente quando há fluxo multifásico e processos de mudança de fase dentro do equipamento, sendo mais difícil modelar e controlar com precisão a convecção.

3 pontos-chave do projeto de campo térmico do equipamento de crescimento de cristal único SiC

3.1 Distribuição e controle de energia de aquecimento

No projeto de campo térmico, o modo de distribuição e a estratégia de controle da potência de aquecimento devem ser determinados de acordo com os parâmetros do processo e requisitos de crescimento do cristal. O equipamento de crescimento de cristal único SiC usa hastes de aquecimento de grafite ou aquecedores de indução para aquecimento. A uniformidade e estabilidade do campo térmico podem ser alcançadas projetando o layout e a distribuição de energia do aquecedor. Durante o crescimento dos monocristais de SiC, a uniformidade da temperatura tem uma influência importante na qualidade do cristal. A distribuição da potência de aquecimento deve ser capaz de garantir a uniformidade da temperatura no campo térmico. Através de simulação numérica e verificação experimental, a relação entre a potência de aquecimento e a distribuição de temperatura pode ser determinada e, em seguida, o esquema de distribuição de potência de aquecimento pode ser otimizado para tornar a distribuição de temperatura no campo térmico mais uniforme e estável. Durante o crescimento dos monocristais de SiC, o controle da potência de aquecimento deve ser capaz de alcançar uma regulação precisa e um controle estável da temperatura. Algoritmos de controle automático, como controlador PID ou controlador fuzzy, podem ser usados ​​para obter controle de malha fechada da potência de aquecimento com base em dados de temperatura em tempo real, realimentados por sensores de temperatura para garantir a estabilidade e uniformidade da temperatura no campo térmico. Durante o crescimento dos monocristais de SiC, o tamanho da potência de aquecimento afetará diretamente a taxa de crescimento do cristal. O controle da potência de aquecimento deve ser capaz de conseguir uma regulação precisa da taxa de crescimento do cristal. Ao analisar e verificar experimentalmente a relação entre a potência de aquecimento e a taxa de crescimento do cristal, uma estratégia razoável de controle da potência de aquecimento pode ser determinada para obter um controle preciso da taxa de crescimento do cristal. Durante a operação do equipamento de crescimento de cristal único SiC, a estabilidade da potência de aquecimento tem um impacto importante na qualidade do crescimento do cristal. Equipamentos de aquecimento e sistemas de controle estáveis ​​e confiáveis ​​são necessários para garantir a estabilidade e confiabilidade da energia de aquecimento. O equipamento de aquecimento precisa ser mantido e reparado regularmente para descobrir e resolver oportunamente falhas e problemas no equipamento de aquecimento para garantir o funcionamento normal do equipamento e a produção estável de energia de aquecimento. Ao projetar racionalmente o esquema de distribuição de energia de aquecimento, considerando a relação entre a potência de aquecimento e a distribuição de temperatura, realizando o controle preciso da potência de aquecimento e garantindo a estabilidade e confiabilidade da energia de aquecimento, a eficiência de crescimento e a qualidade do cristal do equipamento de crescimento de cristal único SiC podem ser efetivamente melhorado, e o progresso e o desenvolvimento da tecnologia de crescimento de cristal único de SiC podem ser promovidos.

3.2 Projeto e ajuste do sistema de controle de temperatura

Antes de projetar o sistema de controle de temperatura, é necessária uma análise de simulação numérica para simular e calcular os processos de transferência de calor, como condução de calor, convecção e radiação durante o crescimento de monocristais de SiC para obter a distribuição do campo de temperatura. Através da verificação experimental, os resultados da simulação numérica são corrigidos e ajustados para determinar os parâmetros de projeto do sistema de controle de temperatura, como potência de aquecimento, layout da área de aquecimento e localização do sensor de temperatura. Durante o crescimento de monocristais de SiC, o aquecimento por resistência ou por indução é geralmente usado para aquecimento. É necessário selecionar um elemento de aquecimento adequado. Para aquecimento por resistência, um fio de resistência de alta temperatura ou um forno de resistência pode ser selecionado como elemento de aquecimento; para aquecimento por indução, uma bobina de aquecimento por indução adequada ou placa de aquecimento por indução precisa ser selecionada. Ao selecionar um elemento de aquecimento, fatores como eficiência de aquecimento, uniformidade de aquecimento, resistência a altas temperaturas e o impacto na estabilidade do campo térmico precisam ser considerados. O projeto do sistema de controle de temperatura precisa considerar não apenas a estabilidade e uniformidade da temperatura, mas também a precisão do ajuste de temperatura e a velocidade de resposta. É necessário projetar uma estratégia razoável de controle de temperatura, como controle PID, controle fuzzy ou controle de rede neural, para obter controle e ajuste precisos da temperatura. Também é necessário projetar um esquema de ajuste de temperatura adequado, como ajuste de ligação multiponto, ajuste de compensação local ou ajuste de feedback, para garantir uma distribuição de temperatura uniforme e estável de todo o campo térmico. A fim de realizar o monitoramento e controle precisos da temperatura durante o crescimento dos monocristais de SiC, é necessário adotar tecnologia avançada de detecção de temperatura e equipamento controlador. Você pode escolher sensores de temperatura de alta precisão, como termopares, resistores térmicos ou termômetros infravermelhos para monitorar as mudanças de temperatura em cada área em tempo real, e escolher equipamentos controladores de temperatura de alto desempenho, como controlador PLC (veja a Figura 1) ou controlador DSP , para obter controle e ajuste precisos dos elementos de aquecimento. Ao determinar os parâmetros de projeto com base em simulação numérica e métodos de verificação experimental, selecionando métodos de aquecimento e elementos de aquecimento apropriados, projetando estratégias razoáveis ​​de controle de temperatura e esquemas de ajuste e usando tecnologia avançada de detecção de temperatura e equipamentos controladores, você pode efetivamente obter controle e ajuste precisos de a temperatura durante o crescimento de monocristais de SiC e melhora a qualidade e o rendimento dos monocristais.

3.3 Simulação de Dinâmica de Fluidos Computacional

O estabelecimento de um modelo preciso é a base para a simulação de dinâmica de fluidos computacional (CFD). O equipamento de crescimento de cristal único SiC é geralmente composto por um forno de grafite, um sistema de aquecimento por indução, um cadinho, um gás de proteção, etc. , e a influência do movimento do material no campo de fluxo. A modelagem tridimensional é usada para reconstruir com precisão as formas geométricas do forno, cadinho, bobina de indução, etc., e considerar os parâmetros físicos térmicos e as condições de contorno do material, como potência de aquecimento e vazão de gás.

Na simulação CFD, os métodos numéricos comumente usados ​​incluem o método dos volumes finitos (FVM) e o método dos elementos finitos (FEM). Tendo em vista as características do equipamento de crescimento de cristal único SiC, o método FVM é geralmente usado para resolver as equações de fluxo de fluido e condução de calor. Em termos de malha, é necessário prestar atenção à subdivisão de áreas-chave, como a superfície do cadinho de grafite e a área de crescimento do monocristal, para garantir a precisão dos resultados da simulação. O processo de crescimento do cristal único de SiC envolve uma variedade de processos físicos, como condução de calor, transferência de calor por radiação, movimento de fluidos, etc. De acordo com a situação real, modelos físicos apropriados e condições de contorno são selecionados para simulação. Por exemplo, considerando a condução de calor e a transferência de calor por radiação entre o cadinho de grafite e o cristal único de SiC, é necessário definir condições de contorno de transferência de calor apropriadas; considerando a influência do aquecimento por indução no movimento do fluido, as condições de contorno da potência de aquecimento por indução precisam ser consideradas.

Antes da simulação CFD, é necessário definir o intervalo de tempo da simulação, critérios de convergência e outros parâmetros, e realizar cálculos. Durante o processo de simulação, é necessário ajustar continuamente os parâmetros para garantir a estabilidade e convergência dos resultados da simulação, e pós-processar os resultados da simulação, como distribuição do campo de temperatura, distribuição da velocidade do fluido, etc., para posterior análise e otimização . A precisão dos resultados da simulação é verificada comparando-se com a distribuição do campo de temperatura, qualidade do cristal único e outros dados no processo de crescimento real. De acordo com os resultados da simulação, a estrutura do forno, o método de aquecimento e outros aspectos são otimizados para melhorar a eficiência de crescimento e a qualidade do cristal único do equipamento de crescimento de cristal único de SiC. A simulação CFD do projeto de campo térmico de equipamentos de crescimento de cristal único de SiC envolve o estabelecimento de modelos precisos, a seleção de métodos numéricos e malhas apropriados, a determinação de modelos físicos e condições de contorno, a definição e cálculo de parâmetros de simulação e a verificação e otimização dos resultados da simulação. A simulação CFD científica e razoável pode fornecer referências importantes para o projeto e otimização de equipamentos de crescimento de cristal único de SiC e melhorar a eficiência do crescimento e a qualidade do cristal único.

3.4 Projeto da estrutura do forno

Considerando que o crescimento do cristal único de SiC requer alta temperatura, inércia química e boa condutividade térmica, o material do corpo do forno deve ser selecionado entre materiais resistentes a altas temperaturas e à corrosão, como cerâmica de carboneto de silício (SiC), grafite, etc. estabilidade a altas temperaturas e inércia química, e é um material ideal para o corpo do forno. A superfície da parede interna do corpo do forno deve ser lisa e uniforme para reduzir a radiação térmica e a resistência à transferência de calor e melhorar a estabilidade do campo térmico. A estrutura do forno deve ser simplificada tanto quanto possível, com menos camadas estruturais para evitar concentração de tensões térmicas e gradiente excessivo de temperatura. Uma estrutura cilíndrica ou retangular é geralmente usada para facilitar a distribuição uniforme e a estabilidade do campo térmico. Elementos de aquecimento auxiliares, como bobinas de aquecimento e resistores, são colocados dentro do forno para melhorar a uniformidade da temperatura e a estabilidade do campo térmico e garantir a qualidade e eficiência do crescimento de cristal único. Os métodos de aquecimento comuns incluem aquecimento por indução, aquecimento por resistência e aquecimento por radiação. Em equipamentos de crescimento de cristal único SiC, uma combinação de aquecimento por indução e aquecimento por resistência é frequentemente usada. O aquecimento por indução é usado principalmente para aquecimento rápido para melhorar a uniformidade da temperatura e a estabilidade do campo térmico; o aquecimento por resistência é usado para manter uma temperatura constante e um gradiente de temperatura para manter a estabilidade do processo de crescimento. O aquecimento por radiação pode melhorar a uniformidade da temperatura dentro do forno, mas geralmente é usado como método de aquecimento auxiliar.

4. Conclusão

Com a crescente demanda por materiais de SiC em eletrônica de potência, optoeletrônica e outros campos, o desenvolvimento da tecnologia de crescimento de cristal único de SiC se tornará uma área-chave de inovação científica e tecnológica. Como núcleo do equipamento de crescimento de cristal único de SiC, o design do campo térmico continuará a receber ampla atenção e pesquisas aprofundadas. As direções de desenvolvimento futuro incluem a otimização adicional da estrutura do campo térmico e do sistema de controle para melhorar a eficiência da produção e a qualidade do cristal único; explorar novos materiais e tecnologias de processamento para melhorar a estabilidade e durabilidade dos equipamentos; e integração de tecnologia inteligente para obter controle automático e monitoramento remoto de equipamentos.