Eremu termikoaren diseinua SIC kristal hazkunde bakarrerako

1 Eremu termikoaren diseinuaren garrantzia SiC kristal bakarreko hazteko ekipoetan

SIC kristal bakarra erdieroale material garrantzitsua da, potentzia elektronikan, optoelektronikan eta tenperatura handiko aplikazioetan oso erabilia. Eremu termikoen diseinuak kristalizazio portaera, uniformetasuna eta garbitasunaren kontrolak zuzenean eragiten du eta eragin erabakigarria du SIC kristal hazkunde ekipamendu bakarraren errendimenduan eta irteeran. SIC kristal bakarraren kalitateak zuzenean eragiten du bere errendimendua eta fidagarritasuna gailuaren fabrikazioan. Eremu termikoa arrazionalki diseinatuz, kristalen hazkuntzan zehar tenperatura banaketaren uniformetasuna lor daiteke, estres termikoa eta kristalaren gradiente termikoa ekidin daitezke, eta, horrela, kristalezko akatsen eraketa-tasa murriztu daiteke. Eremu termikoen diseinu optimizatuak kristalen aurpegiaren kalitatea eta kristalizazio tasa ere hobetu ditzake, kristalaren egiturazkoaren eta garbitasun kimikoa hobetuz eta ziurtatu SIC kristal bakar batek propietate elektriko eta optiko onak dituela.

SIC kristal bakarraren hazkunde-tasak zuzenean eragiten du ekoizpen kostua eta gaitasuna. Eremu termikoa arrazionalki diseinatuz, kristal hazkunde prozesuan zehar tenperatura gradientearen eta bero fluxuen banaketa optimizatu daiteke, eta hazkunde-eremuaren hazkunde-tasa eta hazkunde eremuaren erabilera tasa eraginkorra hobetu daiteke. Eremu termikoaren diseinuak ere energia-galera eta material hondakinak murriztu ditzake hazkunde prozesuan, ekoizpen kostuak murrizteko eta ekoizpen eraginkortasuna hobetzeko, eta, horrela, SIC kristal bakarraren irteera handituz. SIC Crystal Hazkunde Ekipamendu bakarrak normalean energia hornidura eta hozte sistema kopuru handia eskatzen du, eta eremu termikoa modu egokian diseinatzeak energia kontsumoa murriztu dezake, energia kontsumoa eta ingurumen emisioak murriztea. Eremu termikoaren egitura eta bero-fluxuaren bidea optimizatuz, energia maximizatu daiteke eta hondakinen beroa birziklatu daiteke energia eraginkortasuna hobetzeko eta ingurumenean eragin negatiboak murrizteko eta ingurumenean eragin negatiboak murrizteko.

2 SiC kristal bakarreko hazteko ekipoen eremu termikoko diseinuan zailtasunak

2.1 Materialen eroankortasun termikoaren uniformetasuna ez

SIC oso material erdieroale garrantzitsua da. Bere eroankortasun termikoak tenperatura egonkortasun handiko eta eroankortasun termiko bikainaren ezaugarriak ditu, baina eroankortasun termikoaren banaketak ez du uniformetasunik ez. SIC kristal hazkunde bakarraren prozesuan, kristalen hazkunde uniformetasuna eta kalitatea ziurtatzeko, eremu termikoa zehatz-mehatz kontrolatu behar da. SIC materialen eroankortasun termikoaren uniformetasunak ez du eremu termikoaren banaketa ezegonkorra, eta horrek, ondorioz, kristal hazkuntzaren uniformetasun eta kalitateari eragiten dion. SIC Crystal Hazkunde Ekipamenduak normalean lurruneko gordailu fisikoa (PVT) metodoa edo gas fasearen garraio metodoa hartzen ditu, eta horrek hazkunde ganberan tenperatura altua mantentzea eskatzen du eta kristalen hazkundea konturatzen da tenperatura banaketa kontrolatuz. SIC materialen eroankortasun termikoaren ez-uniformetasunak tenperatura-banaketa ez-uniformea ​​izango du hazkunde ganberan, eta horrela kristalen hazkuntza prozesuan eragina izango du, kristal akatsak edo kristal kalitate gabeko kalitatea eragin dezakeena. SIC kristal bakarraren hazkundean, hiru dimentsiotako simulazio dinamikoa eta azterketa termikoaren azterketa egin behar da, tenperaturaren banaketaren lege aldakorra hobeto ulertzeko eta simulazio emaitzetan oinarritutako diseinua optimizatzeko. SICen eroankortasun termikoaren uniformetasunik ez izateagatik, simulazio analisi horiek nolabaiteko akatsak izan ditzakete, eta, beraz, eremu termikoaren kontrol eta optimizazio diseinu zehatza eragiten dute.

2.2 Ekipoen barruan konbekzioaren araudia

SiC kristal bakarren hazkuntzan, tenperatura-kontrol zorrotza mantendu behar da kristalen uniformetasuna eta garbitasuna bermatzeko. Ekipamenduaren barruko konbekzio-fenomenoak tenperatura-eremuaren ez-uniformitatea eragin dezake, eta, ondorioz, kristalen kalitatea eragin dezake. Konbekzioak tenperatura-gradiente bat eratzen du normalean, kristalen gainazalean egitura ez-uniformea ​​sortzen da, eta horrek kristalen errendimenduan eta aplikazioan eragiten du. Konbekzio-kontrol onak gas-fluxuaren abiadura eta norabidea doi ditzake, eta horrek kristalaren gainazalaren ez-uniformitatea murrizten eta hazkundearen eraginkortasuna hobetzen laguntzen du. Tresneriaren barruko egitura geometriko konplexuak eta gas-dinamika-prozesuak oso zaila egiten du konbekzioa zehaztasunez kontrolatzea. Tenperatura altuko inguruneak bero-transferentziaren eraginkortasuna gutxitzea ekarriko du eta ekipamenduaren barruan tenperatura-gradientearen eraketa areagotuko du, horrela kristalen hazkundearen uniformetasuna eta kalitatea eragingo du. Gas korrosibo batzuek ekipamendu barruko materialei eta bero-transferentziako elementuei eragin diezaiekete, eta horrela konbekzioaren egonkortasuna eta kontrolagarritasuna eragin dezakete. SiC kristal bakarreko hazkuntza-ekipoak egitura konplexua eta bero-transferentzia-mekanismo anitz izan ohi ditu, hala nola erradiazio-bero-transferentzia, konbekzio-bero-transferentzia eta bero-eroapena. Bero-transferentzia-mekanismo hauek elkarren artean akoplatzen dira, eta konbekzio-erregulazioa zaildu egiten dute, batez ere ekipamendu barruan fase anitzeko fluxua eta fase-aldaketa prozesuak daudenean, zailagoa da konbekzioa zehaztasunez modelatzea eta kontrolatzea.

SIC Kristal Hazkunde Ekipamendu Bakarreko Eremu Termikoko 3 puntu

3.1 Berokuntza potentziaren banaketa eta kontrola

Eremu termikoaren diseinuan, banaketa modua eta berogailuaren potentzia kontrolatzeko estrategia prozesuaren parametroen eta kristal hazkuntzaren eskakizunen arabera zehaztu beharko litzateke. SIC Crystal Hazkunde Ekipamenduak berogailuaren berogailuaren hagaxkak edo berogailuak erabiltzen ditu. Eremu termikoaren uniformetasuna eta egonkortasuna berogailuaren diseinua eta potentzia banatzea diseinatuz lor daiteke. SIC kristal bakarraren hazkundean, tenperaturaren uniformetasunak eragin handia du kristalaren kalitatean. Berokuntza-potentziaren banaketak tenperaturaren uniformetasuna bermatzeko gai izan beharko luke. Zenbakizko simulazioaren eta egiaztapen esperimentalaren bidez, berogailuaren eta tenperatura banaketaren arteko erlazioa zehaztu daiteke eta, ondoren, berogailuaren banaketa-erregimena optimizatu daiteke tenperaturaren banaketa eremu termikoan uniforme eta egonkorragoa izan dadin. SIC kristal bakarraren hazkundean, berogailuaren kontrolaren kontrolak tenperaturaren erregulazio zehatza eta kontrol egonkorra lortzeko gai izan beharko luke. Kontrolatzaile automatikoen algoritmoak, hala nola, PID kontroladorea edo kontrolatzaile lausoak, tenperatura sentsoreek elikatutako tenperatura-tenperaturaren arabera, tenperatura sentsoreek elikatutako tenperaturaren arabera. SIC kristal bakarraren hazkundean, berotze-potentziaren tamainak zuzenean eragingo du kristal hazkunde tasan. Berokuntza-ahalmenaren kontrolak kristal hazkunde tasa erregulatzeko zehatza lortzeko gai izan beharko luke. Berogailuaren eta kristalen hazkunde tasaren arteko erlazioa aztertuz eta esperimentalki egiaztatuz, berokuntza-potentzia kontrolatzeko estrategia zentzuzkoa da kristal hazkunde tasaren kontrol zehatza lortzeko. SIC kristal hazkunde ekipamendu bakarraren egitean, berotze-potentziaren egonkortasuna eragin handia du kristal hazkuntzaren kalitatean. Berokuntza ekipamendu eta kontrol sistema egonkorrak eta fidagarriak behar dira berotze boterearen egonkortasuna eta fidagarritasuna bermatzeko. Berokuntza ekipamenduak aldizka mantendu eta zerbitzatu behar dira berogailu ekipoetan akatsak eta arazoak konpontzeko, ekipoen funtzionamendu normala eta berogailuaren potentziaren irteera egonkorra ziurtatzeko. Berokuntza-potentzia banatzeko eskema arrazionalki diseinatuta, berotze-potentziaren eta tenperatura banaketaren arteko erlazioa kontuan hartuta, berogailuaren potentziaren kontrol zehatza eta berogailuaren egonkortasuna eta fidagarritasuna bermatzea, SIC kristal hazkunde ekipamenduaren hazkunde-eraginkortasuna eta kristal kalitatea izan daitezke. Eraginkorrean hobetu da eta SIC kristal hazkunde teknologiaren aurrerapena eta garapena sustatu daiteke.

3.2 Tenperatura kontrolatzeko sistemaren diseinua eta doikuntza

Tenperatura kontrolatzeko sistema diseinatu aurretik, SiC kristal bakarren hazkuntzan zehar bero-eroapena, konbekzioa eta erradiazioa bezalako transferentzia-prozesuak simulatu eta kalkulatzeko zenbakizko simulazio-analisia behar da tenperatura-eremuaren banaketa lortzeko. Egiaztapen esperimentalaren bidez, zenbakizko simulazioaren emaitzak zuzendu eta doitzen dira tenperatura kontrolatzeko sistemaren diseinu-parametroak zehazteko, hala nola berokuntza-potentzia, berokuntza-eremuaren diseinua eta tenperatura-sentsorearen kokapena. SiC kristal bakarren hazkuntzan, erresistentzia-berokuntza edo indukzio-berokuntza erabili ohi da berotzeko. Beharrezkoa da berogailu-elementu egokia hautatzea. Erresistentzia berotzeko, tenperatura altuko erresistentzia alanbre bat edo erresistentzia-labe bat hauta daiteke berogailu gisa; indukziozko berokuntzarako, indukziozko berokuntzako bobina edo indukziozko berogailu plaka egokia hautatu behar da. Berogailu-elementua hautatzerakoan, berokuntza-eraginkortasuna, berokuntza-uniformitatea, tenperatura altuko erresistentzia eta eremu termikoaren egonkortasunean duten eragina kontuan hartu behar dira. Tenperatura kontrolatzeko sistemaren diseinuak tenperaturaren egonkortasuna eta uniformetasuna ez ezik, tenperaturaren doikuntzaren zehaztasuna eta erantzunaren abiadura ere kontuan hartu behar ditu. Tenperatura kontrolatzeko estrategia zentzuzko bat diseinatzea beharrezkoa da, hala nola PID kontrola, kontrol lausoa edo sare neuronalaren kontrola, tenperaturaren kontrol eta doikuntza zehatza lortzeko. Tenperatura doitzeko eskema egoki bat diseinatzea ere beharrezkoa da, hala nola puntu anitzeko loturaren doikuntza, konpentsazio lokalaren doikuntza edo feedback doikuntza, eremu termiko osoaren tenperatura banaketa uniformea ​​eta egonkorra bermatzeko. SiC kristal bakarren hazkuntzan tenperaturaren jarraipen eta kontrol zehatza gauzatzeko, beharrezkoa da tenperatura sentsatzeko teknologia eta kontrolagailu ekipamendu aurreratuak hartzea. Zehaztasun handiko tenperatura sentsoreak hauta ditzakezu, esate baterako, termopareak, erresistentzia termikoak edo infragorriak termometroak, eremu bakoitzean tenperatura-aldaketak denbora errealean kontrolatzeko, eta errendimendu handiko tenperatura kontrolatzeko ekipoak aukera ditzakezu, hala nola PLC kontrolagailua (ikus 1. irudia) edo DSP kontrolagailua. , elementu berogailuen kontrol eta doikuntza zehatza lortzeko. Zenbakizko simulazioan eta egiaztapen esperimentalen metodoetan oinarritutako diseinu-parametroak zehaztuz, berotze-metodo eta berogailu-elementu egokiak hautatuz, tenperatura kontrolatzeko estrategia eta doikuntza-eskem egokiak diseinatuz eta tenperatura sentsatzeko teknologia aurreratua eta kontrolagailu-ekipamenduak erabiliz, modu eraginkorrean kontrol eta doikuntza zehatzak lor ditzakezu. SiC kristal bakarren hazkuntzan dagoen tenperatura eta kristal bakarren kalitatea eta etekina hobetzen ditu.

3.3 Fluido konputazionalaren dinamikaren simulazioa

Eredu zehatza ezartzea fluido konputazionalen dinamikaren (CFD) simulazioa da. SIC Crystal Hazkunde Ekipamendua normalean grafito labe batez osatuta dago, indukziozko berokuntza-sistema batez osatuta dago, deabruen prozesuan, gasa eta abar. Labearen egituraren konplexutasuna kontuan hartu behar da, berogailu metodoaren ezaugarriak kontuan hartu behar dira eta materialen mugimenduak fluxu eremuan duen eragina. Hiru dimentsiotako eredua labe, gurutze, indukzio bobina eta abar forma geometrikoak berreraikitzeko erabiltzen da, eta materialaren parametro fisiko termikoak eta mugen baldintzak kontuan hartzeko, esaterako, berogailuaren eta gasaren fluxu-tasa.

CFD simulazioan, normalean erabiltzen diren zenbakizko metodoak bolumen finituaren metodoa (FVM) eta elementu finituen metodoa (FEM) dira. SiC kristal bakarreko hazkuntza-ekipoen ezaugarriak ikusita, FVM metodoa orokorrean fluido-fluxuaren eta bero-eroapenaren ekuazioak ebazteko erabiltzen da. Sartzeari dagokionez, beharrezkoa da gako-eremuak azpibanatzeari arreta jartzea, hala nola grafitozko arragoa gainazala eta kristal bakarreko hazkuntza-eremua, simulazioaren emaitzen zehaztasuna bermatzeko. SiC kristal bakarreko hazkuntza-prozesuak hainbat prozesu fisiko hartzen ditu barne, hala nola, bero-eroapena, erradiazio-bero-transferentzia, fluidoen mugimendua, etab. Benetako egoeraren arabera, eredu fisiko eta muga-baldintza egokiak hautatzen dira simulaziorako. Esate baterako, grafitozko arragoa eta SiC kristal bakarrearen arteko bero-eroapena eta erradiazio-bero-transferentzia kontuan hartuta, bero-transferentziaren muga-baldintza egokiak ezarri behar dira; indukziozko berokuntzak fluidoaren mugimenduan duen eragina kontuan hartuta, indukziozko berokuntza-potentziaren muga-baldintzak kontuan hartu behar dira.

CFD simulazioaren aurretik, beharrezkoa da simulazioaren denbora-urratsa, konbergentzia-irizpideak eta beste parametro batzuk ezarri eta kalkuluak egitea. Simulazio-prozesuan zehar, beharrezkoa da parametroak etengabe doitzea simulazioaren emaitzen egonkortasuna eta konbergentzia bermatzeko, eta simulazio-emaitzen ondoren prozesatu, hala nola, tenperatura-eremuaren banaketa, fluidoaren abiadura-banaketa, etab., azterketa eta optimizazio gehiago egiteko. . Simulazioaren emaitzen zehaztasuna egiaztatzen da tenperatura-eremuaren banaketarekin, kristal bakarreko kalitatearekin eta benetako hazkuntza-prozesuko beste datuekin alderatuta. Simulazioaren emaitzen arabera, labearen egitura, berokuntza-metodoa eta beste alderdi batzuk optimizatzen dira SiC kristal bakarreko hazteko ekipoen hazkunde-eraginkortasuna eta kristal bakarreko kalitatea hobetzeko. SiC kristal bakarreko hazkuntza-ekipoen eremu termikoaren diseinuaren CFD simulazioak eredu zehatzak ezartzea, zenbakizko metodo eta sare egokiak hautatzea, eredu fisikoak eta muga-baldintzak zehaztea, simulazio-parametroak ezarri eta kalkulatzea eta simulazioaren emaitzak egiaztatzea eta optimizatzea dakar. CFD simulazio zientifiko eta zentzuzkoak erreferentzia garrantzitsuak eman ditzake SiC kristal bakarreko hazteko ekipamenduen diseinurako eta optimizaziorako, eta hazkundearen eraginkortasuna eta kristal bakarreko kalitatea hobetu ditzake.

3.4 Labearen egituraren diseinua

SiC kristal bakarreko hazkuntzak tenperatura altua, inertetasun kimikoa eta eroankortasun termiko ona behar dituela kontuan hartuta, labearen gorputzaren materiala tenperatura altuko eta korrosioarekiko erresistenteak diren materialetatik aukeratu behar da, hala nola, silizio karburoko zeramika (SiC), grafitoa, etab. SiC materialak bikaina du. tenperatura altuko egonkortasuna eta inertetasun kimikoa, eta labearen gorputz-material ezin hobea da. Labearen gorputzaren barruko horma-azalera leuna eta uniformea ​​izan behar da erradiazio termikoa eta bero transferentziaren erresistentzia murrizteko eta eremu termikoaren egonkortasuna hobetzeko. Labearen egitura ahalik eta gehien sinplifikatu behar da, geruza estruktural gutxiagorekin tentsio termikoaren kontzentrazioa eta tenperatura-gradiente gehiegi saihesteko. Egitura zilindrikoa edo angeluzuzena erabili ohi da eremu termikoaren banaketa uniformea ​​eta egonkortasuna errazteko. Berokuntza-elementu osagarriak, hala nola, berokuntza-bobinak eta erresistentziak labearen barruan ezartzen dira tenperaturaren uniformetasuna eta eremu termikoaren egonkortasuna hobetzeko eta kristal bakarreko hazkundearen kalitatea eta eraginkortasuna bermatzeko. Berokuntza-metodo arruntak indukzio-berokuntza, erresistentzia-berokuntza eta erradiazio-berokuntza dira. SiC kristal bakarreko hazkuntza-ekipoetan, indukzio-berokuntza eta erresistentzia-berokuntzaren konbinazioa erabiltzen da maiz. Indukziozko berogailua berogailu azkarrerako erabiltzen da batez ere tenperaturaren uniformetasuna eta eremu termikoaren egonkortasuna hobetzeko; erresistentzia-berokuntza tenperatura eta tenperatura-gradiente konstantea mantentzeko erabiltzen da hazkuntza-prozesuaren egonkortasuna mantentzeko. Erradiazio-berokuntzak labearen barneko tenperaturaren uniformetasuna hobe dezake, baina normalean berokuntza-metodo osagarri gisa erabiltzen da.

4 Ondorioa

Potentzia elektronikan, optoelektronikan eta beste esparru batzuetan SiC materialen eskaera gero eta handiagoa dela eta, SiC kristal bakarreko hazkuntza teknologiaren garapena berrikuntza zientifiko eta teknologikorako funtsezko eremua bihurtuko da. SiC kristal bakarreko hazkuntza ekipoen muina den heinean, eremu termikoen diseinuak arreta handia eta ikerketa sakona jasotzen jarraituko du. Etorkizuneko garapen-ildoek eremu termikoen egitura eta kontrol-sistema gehiago optimizatzen dituzte ekoizpen-eraginkortasuna eta kristal bakarreko kalitatea hobetzeko; material eta prozesatzeko teknologia berriak aztertzea ekipoen egonkortasuna eta iraunkortasuna hobetzeko; eta teknologia adimenduna integratzea ekipoen kontrol automatikoa eta urruneko monitorizazioa lortzeko.