Desain Bidang Termal untuk Pertumbuhan Kristal Tunggal SiC

1 Pentingnya desain medan termal dalam peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC

Kristal tunggal SiC adalah bahan semikonduktor penting, yang banyak digunakan dalam elektronika daya, optoelektronik, dan aplikasi suhu tinggi. Desain medan termal secara langsung mempengaruhi perilaku kristalisasi, keseragaman dan pengendalian pengotor kristal, dan memiliki pengaruh yang menentukan pada kinerja dan keluaran peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC. Kualitas kristal tunggal SiC secara langsung mempengaruhi kinerja dan keandalannya dalam pembuatan perangkat. Dengan merancang medan termal secara rasional, keseragaman distribusi suhu selama pertumbuhan kristal dapat dicapai, tekanan termal dan gradien termal dalam kristal dapat dihindari, sehingga mengurangi laju pembentukan cacat kristal. Desain medan termal yang dioptimalkan juga dapat meningkatkan kualitas permukaan kristal dan laju kristalisasi, lebih meningkatkan integritas struktural dan kemurnian kimia kristal, dan memastikan bahwa kristal tunggal SiC yang tumbuh memiliki sifat listrik dan optik yang baik.

Laju pertumbuhan kristal tunggal SiC secara langsung mempengaruhi biaya dan kapasitas produksi. Dengan merancang medan termal secara rasional, gradien suhu dan distribusi aliran panas selama proses pertumbuhan kristal dapat dioptimalkan, dan laju pertumbuhan kristal serta tingkat pemanfaatan efektif area pertumbuhan dapat ditingkatkan. Desain medan termal juga dapat mengurangi kehilangan energi dan limbah material selama proses pertumbuhan, mengurangi biaya produksi, dan meningkatkan efisiensi produksi, sehingga meningkatkan keluaran kristal tunggal SiC. Peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC biasanya memerlukan pasokan energi dan sistem pendingin dalam jumlah besar, dan merancang medan termal secara rasional dapat mengurangi konsumsi energi, mengurangi konsumsi energi, dan emisi lingkungan. Dengan mengoptimalkan struktur medan termal dan jalur aliran panas, energi dapat dimaksimalkan, dan limbah panas dapat didaur ulang untuk meningkatkan efisiensi energi dan mengurangi dampak negatif terhadap lingkungan.

2 Kesulitan dalam desain medan termal peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC

2.1 Ketidakseragaman konduktivitas termal bahan

SiC adalah bahan semikonduktor yang sangat penting. Konduktivitas termalnya memiliki karakteristik stabilitas suhu tinggi dan konduktivitas termal yang sangat baik, namun distribusi konduktivitas termalnya memiliki ketidakseragaman tertentu. Dalam proses pertumbuhan kristal tunggal SiC, untuk menjamin keseragaman dan kualitas pertumbuhan kristal, medan termal perlu dikontrol secara tepat. Ketidakseragaman konduktivitas termal bahan SiC akan menyebabkan ketidakstabilan distribusi medan termal, yang pada gilirannya mempengaruhi keseragaman dan kualitas pertumbuhan kristal. Peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC biasanya mengadopsi metode deposisi uap fisik (PVT) atau metode transportasi fase gas, yang memerlukan pemeliharaan lingkungan bersuhu tinggi di ruang pertumbuhan dan mewujudkan pertumbuhan kristal dengan mengontrol distribusi suhu secara tepat. Ketidakseragaman konduktivitas termal bahan SiC akan menyebabkan distribusi suhu yang tidak seragam di ruang pertumbuhan, sehingga mempengaruhi proses pertumbuhan kristal, yang dapat menyebabkan cacat kristal atau kualitas kristal tidak seragam. Selama pertumbuhan kristal tunggal SiC, perlu dilakukan simulasi dinamis tiga dimensi dan analisis medan termal untuk lebih memahami hukum perubahan distribusi suhu dan mengoptimalkan desain berdasarkan hasil simulasi. Karena ketidakseragaman konduktivitas termal bahan SiC, analisis simulasi ini mungkin dipengaruhi oleh tingkat kesalahan tertentu, sehingga memengaruhi kontrol yang tepat dan desain optimalisasi medan termal.

2.2 Kesulitan dalam mengatur konveksi di dalam peralatan

Selama pertumbuhan kristal tunggal SiC, kontrol suhu yang ketat perlu dipertahankan untuk memastikan keseragaman dan kemurnian kristal. Fenomena konveksi di dalam peralatan dapat menyebabkan ketidakseragaman medan suhu sehingga mempengaruhi kualitas kristal. Konveksi biasanya membentuk gradien suhu, mengakibatkan struktur permukaan kristal tidak seragam, yang pada gilirannya mempengaruhi kinerja dan penerapan kristal. Kontrol konveksi yang baik dapat mengatur kecepatan dan arah aliran gas, yang membantu mengurangi ketidakseragaman permukaan kristal dan meningkatkan efisiensi pertumbuhan. Struktur geometris yang kompleks dan proses dinamika gas di dalam peralatan membuatnya sangat sulit untuk mengontrol konveksi secara akurat. Lingkungan bersuhu tinggi akan menyebabkan penurunan efisiensi perpindahan panas dan meningkatkan pembentukan gradien suhu di dalam peralatan, sehingga mempengaruhi keseragaman dan kualitas pertumbuhan kristal. Beberapa gas korosif dapat mempengaruhi material dan elemen perpindahan panas di dalam peralatan, sehingga mempengaruhi stabilitas dan pengendalian konveksi. Peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC biasanya memiliki struktur kompleks dan beberapa mekanisme perpindahan panas, seperti perpindahan panas radiasi, perpindahan panas konveksi, dan konduksi panas. Mekanisme perpindahan panas ini digabungkan satu sama lain, membuat pengaturan konveksi menjadi lebih rumit, terutama bila terdapat proses aliran multifase dan perubahan fasa di dalam peralatan, maka lebih sulit untuk memodelkan dan mengontrol konveksi secara akurat.

3 Poin penting dari desain medan termal peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC

3.1 Distribusi dan pengendalian daya pemanas

Dalam desain medan termal, mode distribusi dan strategi pengendalian daya pemanasan harus ditentukan sesuai dengan parameter proses dan persyaratan pertumbuhan kristal. Peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC menggunakan batang pemanas grafit atau pemanas induksi untuk pemanasan. Keseragaman dan stabilitas medan termal dapat dicapai dengan merancang tata letak dan distribusi daya pemanas. Selama pertumbuhan kristal tunggal SiC, keseragaman suhu mempunyai pengaruh penting terhadap kualitas kristal. Distribusi daya pemanas harus mampu menjamin keseragaman suhu pada medan termal. Melalui simulasi numerik dan verifikasi eksperimental, hubungan antara daya pemanas dan distribusi suhu dapat ditentukan, kemudian skema distribusi daya pemanas dapat dioptimalkan untuk membuat distribusi suhu di medan termal lebih seragam dan stabil. Selama pertumbuhan kristal tunggal SiC, kendali daya pemanas harus mampu mencapai regulasi yang tepat dan kendali suhu yang stabil. Algoritme kontrol otomatis seperti pengontrol PID atau pengontrol fuzzy dapat digunakan untuk mencapai kontrol loop tertutup daya pemanas berdasarkan data suhu waktu nyata yang diumpankan kembali oleh sensor suhu untuk memastikan stabilitas dan keseragaman suhu di medan termal. Selama pertumbuhan kristal tunggal SiC, besar kecilnya daya pemanasan akan secara langsung mempengaruhi laju pertumbuhan kristal. Kontrol daya pemanas harus mampu mencapai pengaturan laju pertumbuhan kristal yang tepat. Dengan menganalisis dan memverifikasi secara eksperimental hubungan antara daya pemanasan dan laju pertumbuhan kristal, strategi pengendalian daya pemanasan yang masuk akal dapat ditentukan untuk mencapai pengendalian laju pertumbuhan kristal yang tepat. Selama pengoperasian peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC, stabilitas daya pemanasan mempunyai dampak penting terhadap kualitas pertumbuhan kristal. Peralatan pemanas dan sistem kontrol yang stabil dan andal diperlukan untuk memastikan stabilitas dan keandalan daya pemanas. Peralatan pemanas perlu dirawat dan diservis secara teratur untuk menemukan dan menyelesaikan kesalahan dan masalah pada peralatan pemanas secara tepat waktu untuk memastikan pengoperasian normal peralatan dan keluaran daya pemanas yang stabil. Dengan merancang skema distribusi daya pemanas secara rasional, dengan mempertimbangkan hubungan antara daya pemanas dan distribusi suhu, mewujudkan kontrol daya pemanas yang tepat, dan memastikan stabilitas dan keandalan daya pemanas, efisiensi pertumbuhan dan kualitas kristal peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC dapat dicapai. ditingkatkan secara efektif, dan kemajuan serta pengembangan teknologi pertumbuhan kristal tunggal SiC dapat dipromosikan.

3.2 Desain dan penyesuaian sistem kendali suhu

Sebelum merancang sistem kendali suhu, diperlukan analisis simulasi numerik untuk mensimulasikan dan menghitung proses perpindahan panas seperti konduksi panas, konveksi dan radiasi selama pertumbuhan kristal tunggal SiC untuk mendapatkan distribusi medan suhu. Melalui verifikasi eksperimental, hasil simulasi numerik dikoreksi dan disesuaikan untuk menentukan parameter desain sistem kendali suhu, seperti daya pemanas, tata letak area pemanas, dan lokasi sensor suhu. Selama pertumbuhan kristal tunggal SiC, pemanasan resistansi atau pemanasan induksi biasanya digunakan untuk pemanasan. Penting untuk memilih elemen pemanas yang sesuai. Untuk pemanasan resistansi, kawat resistansi suhu tinggi atau tungku resistansi dapat dipilih sebagai elemen pemanas; untuk pemanasan induksi, kumparan pemanas induksi atau pelat pemanas induksi yang sesuai perlu dipilih. Saat memilih elemen pemanas, faktor-faktor seperti efisiensi pemanasan, keseragaman pemanasan, ketahanan suhu tinggi, dan dampak terhadap stabilitas medan termal perlu dipertimbangkan. Perancangan sistem kendali suhu perlu mempertimbangkan tidak hanya stabilitas dan keseragaman suhu, tetapi juga akurasi penyesuaian suhu dan kecepatan respons. Penting untuk merancang strategi pengendalian suhu yang masuk akal, seperti kontrol PID, kontrol fuzzy, atau kontrol jaringan saraf, untuk mencapai kontrol dan penyesuaian suhu yang akurat. Penting juga untuk merancang skema penyesuaian suhu yang sesuai, seperti penyesuaian hubungan multi-titik, penyesuaian kompensasi lokal atau penyesuaian umpan balik, untuk memastikan distribusi suhu yang seragam dan stabil di seluruh medan termal. Untuk mewujudkan pemantauan dan pengendalian suhu yang tepat selama pertumbuhan kristal tunggal SiC, perlu mengadopsi teknologi penginderaan suhu canggih dan peralatan pengontrol. Anda dapat memilih sensor suhu presisi tinggi seperti termokopel, resistor termal, atau termometer inframerah untuk memantau perubahan suhu di setiap area secara real time, dan memilih peralatan pengontrol suhu berkinerja tinggi, seperti pengontrol PLC (lihat Gambar 1) atau pengontrol DSP , untuk mencapai kontrol dan penyesuaian elemen pemanas yang tepat. Dengan menentukan parameter desain berdasarkan simulasi numerik dan metode verifikasi eksperimental, memilih metode pemanasan dan elemen pemanas yang sesuai, merancang strategi kontrol suhu yang masuk akal dan skema penyesuaian, dan menggunakan teknologi penginderaan suhu canggih dan peralatan pengontrol, Anda dapat secara efektif mencapai kontrol dan penyesuaian yang tepat. suhu selama pertumbuhan kristal tunggal SiC, dan meningkatkan kualitas dan hasil kristal tunggal.

3.3 Simulasi Komputasi Dinamika Fluida

Membangun model yang akurat adalah dasar simulasi dinamika fluida komputasi (CFD). Peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC biasanya terdiri dari tungku grafit, sistem pemanas induksi, wadah, gas pelindung, dll. Dalam proses pemodelan, perlu mempertimbangkan kompleksitas struktur tungku, karakteristik metode pemanasan , dan pengaruh pergerakan material pada medan aliran. Pemodelan tiga dimensi digunakan untuk secara akurat merekonstruksi bentuk geometris tungku, wadah, koil induksi, dll., dan mempertimbangkan parameter fisik termal dan kondisi batas material, seperti daya pemanasan dan laju aliran gas.

Dalam simulasi CFD, metode numerik yang umum digunakan antara lain metode volume hingga (FVM) dan metode elemen hingga (FEM). Mengingat karakteristik peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC, metode FVM umumnya digunakan untuk menyelesaikan persamaan aliran fluida dan konduksi panas. Dalam hal meshing, perlu memperhatikan pengelompokan area utama, seperti permukaan wadah grafit dan area pertumbuhan kristal tunggal, untuk memastikan keakuratan hasil simulasi. Proses pertumbuhan kristal tunggal SiC melibatkan berbagai proses fisik, seperti konduksi panas, perpindahan panas radiasi, pergerakan fluida, dll. Sesuai dengan situasi aktual, model fisik dan kondisi batas yang sesuai dipilih untuk simulasi. Misalnya, dengan mempertimbangkan konduksi panas dan perpindahan panas radiasi antara wadah grafit dan kristal tunggal SiC, kondisi batas perpindahan panas yang sesuai perlu ditetapkan; mempertimbangkan pengaruh pemanasan induksi terhadap pergerakan fluida, maka kondisi batas daya pemanas induksi perlu diperhatikan.

Sebelum simulasi CFD, perlu mengatur langkah waktu simulasi, kriteria konvergensi dan parameter lainnya, serta melakukan perhitungan. Selama proses simulasi, perlu dilakukan penyesuaian parameter secara terus menerus untuk memastikan stabilitas dan konvergensi hasil simulasi, dan pasca proses hasil simulasi, seperti distribusi medan suhu, distribusi kecepatan fluida, dll., untuk analisis dan optimasi lebih lanjut. . Keakuratan hasil simulasi diverifikasi dengan membandingkan distribusi medan suhu, kualitas kristal tunggal, dan data lain dalam proses pertumbuhan sebenarnya. Berdasarkan hasil simulasi, struktur tungku, metode pemanasan, dan aspek lainnya dioptimalkan untuk meningkatkan efisiensi pertumbuhan dan kualitas kristal tunggal peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC. Simulasi CFD desain medan termal peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC melibatkan pembuatan model yang akurat, pemilihan metode numerik dan penyatuan yang sesuai, penentuan model fisik dan kondisi batas, pengaturan dan penghitungan parameter simulasi, serta verifikasi dan optimalisasi hasil simulasi. Simulasi CFD yang ilmiah dan masuk akal dapat memberikan referensi penting untuk desain dan optimalisasi peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC, serta meningkatkan efisiensi pertumbuhan dan kualitas kristal tunggal.

3.4 Desain struktur tungku

Mengingat pertumbuhan kristal tunggal SiC memerlukan suhu tinggi, kelembaman kimia, dan konduktivitas termal yang baik, maka material badan tungku harus dipilih dari bahan bersuhu tinggi dan tahan korosi, seperti keramik silikon karbida (SiC), grafit, dll. Bahan SiC memiliki keunggulan stabilitas suhu tinggi dan kelembaman kimia, dan merupakan bahan badan tungku yang ideal. Permukaan dinding bagian dalam badan tungku harus halus dan seragam untuk mengurangi radiasi termal dan ketahanan perpindahan panas serta meningkatkan stabilitas medan termal. Struktur tungku harus disederhanakan semaksimal mungkin, dengan lapisan struktural yang lebih sedikit untuk menghindari konsentrasi tegangan termal dan gradien suhu yang berlebihan. Struktur silinder atau persegi panjang biasanya digunakan untuk memfasilitasi distribusi seragam dan stabilitas medan termal. Elemen pemanas tambahan seperti koil pemanas dan resistor dipasang di dalam tungku untuk meningkatkan keseragaman suhu dan stabilitas medan termal serta memastikan kualitas dan efisiensi pertumbuhan kristal tunggal. Metode pemanasan yang umum meliputi pemanasan induksi, pemanasan resistansi, dan pemanasan radiasi. Dalam peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC, kombinasi pemanasan induksi dan pemanasan resistansi sering digunakan. Pemanasan induksi terutama digunakan untuk pemanasan cepat guna meningkatkan keseragaman suhu dan stabilitas medan termal; pemanasan resistensi digunakan untuk menjaga suhu konstan dan gradien suhu untuk menjaga stabilitas proses pertumbuhan. Pemanasan radiasi dapat meningkatkan keseragaman suhu di dalam tungku, namun biasanya digunakan sebagai metode pemanasan tambahan.

4. Kesimpulan

Dengan meningkatnya permintaan bahan SiC dalam elektronika daya, optoelektronik, dan bidang lainnya, pengembangan teknologi pertumbuhan kristal tunggal SiC akan menjadi bidang utama inovasi ilmiah dan teknologi. Sebagai inti dari peralatan pertumbuhan kristal tunggal SiC, desain medan termal akan terus mendapat perhatian luas dan penelitian mendalam. Arah pengembangan di masa depan mencakup optimalisasi lebih lanjut struktur medan termal dan sistem kontrol untuk meningkatkan efisiensi produksi dan kualitas kristal tunggal; mengeksplorasi material baru dan teknologi pemrosesan untuk meningkatkan stabilitas dan daya tahan peralatan; dan mengintegrasikan teknologi cerdas untuk mencapai kontrol otomatis dan pemantauan peralatan jarak jauh.