Conception de champ thermique pour la croissance de monocristaux de SiC

1 Importance de la conception du champ thermique dans les équipements de croissance de monocristaux SiC

Le monocristal SiC est un matériau semi-conducteur important, largement utilisé dans les applications en électronique de puissance, en optoélectronique et à haute température. La conception du champ thermique affecte directement le comportement de cristallisation, l'uniformité et le contrôle des impuretés du cristal, et a une influence décisive sur les performances et le rendement de l'équipement de croissance monocristallin SiC. La qualité du monocristal SiC affecte directement ses performances et sa fiabilité dans la fabrication des appareils. Grâce à une conception rationnelle du champ thermique, l'uniformité de la distribution de température pendant la croissance cristalline peut être obtenue, la contrainte thermique et le gradient thermique dans le cristal peuvent être évités, réduisant ainsi le taux de formation de défauts cristallins. La conception optimisée du champ thermique peut également améliorer la qualité de la face du cristal et le taux de cristallisation, améliorer encore l'intégrité structurelle et la pureté chimique du cristal et garantir que le monocristal de SiC développé possède de bonnes propriétés électriques et optiques.

Le taux de croissance du monocristal SiC affecte directement le coût et la capacité de production. Grâce à une conception rationnelle du champ thermique, le gradient de température et la répartition du flux de chaleur pendant le processus de croissance cristalline peuvent être optimisés, et le taux de croissance du cristal ainsi que le taux d'utilisation efficace de la zone de croissance peuvent être améliorés. La conception du champ thermique peut également réduire les pertes d'énergie et les déchets de matériaux pendant le processus de croissance, réduire les coûts de production et améliorer l'efficacité de la production, augmentant ainsi la production de monocristaux de SiC. L'équipement de croissance de monocristaux SiC nécessite généralement une grande quantité d'énergie et un système de refroidissement, et la conception rationnelle du champ thermique peut réduire la consommation d'énergie, la consommation d'énergie et les émissions environnementales. En optimisant la structure du champ thermique et le chemin du flux thermique, l'énergie peut être maximisée et la chaleur perdue peut être recyclée pour améliorer l'efficacité énergétique et réduire les impacts négatifs sur l'environnement.

2 Difficultés liées à la conception du champ thermique des équipements de croissance de monocristaux de SiC

2.1 Non-uniformité de la conductivité thermique des matériaux

Le SiC est un matériau semi-conducteur très important. Sa conductivité thermique présente les caractéristiques d'une stabilité à haute température et d'une excellente conductivité thermique, mais sa distribution de conductivité thermique présente une certaine non-uniformité. Dans le processus de croissance des monocristaux de SiC, afin de garantir l'uniformité et la qualité de la croissance des cristaux, le champ thermique doit être contrôlé avec précision. La non-uniformité de la conductivité thermique des matériaux SiC entraînera l’instabilité de la distribution du champ thermique, ce qui affecte à son tour l’uniformité et la qualité de la croissance cristalline. L'équipement de croissance monocristalline SiC adopte généralement une méthode de dépôt physique en phase vapeur (PVT) ou une méthode de transport en phase gazeuse, qui nécessite de maintenir un environnement à haute température dans la chambre de croissance et de réaliser une croissance cristalline en contrôlant avec précision la répartition de la température. La non-uniformité de la conductivité thermique des matériaux SiC entraînera une répartition non uniforme de la température dans la chambre de croissance, affectant ainsi le processus de croissance cristalline, ce qui peut provoquer des défauts cristallins ou une qualité cristalline non uniforme. Lors de la croissance des monocristaux de SiC, il est nécessaire d'effectuer une simulation dynamique tridimensionnelle et une analyse du champ thermique afin de mieux comprendre la loi changeante de la distribution de la température et d'optimiser la conception en fonction des résultats de la simulation. En raison de la non-uniformité de la conductivité thermique des matériaux SiC, ces analyses de simulation peuvent être affectées par un certain degré d'erreur, affectant ainsi la conception précise du contrôle et de l'optimisation du champ thermique.

2.2 Difficulté de régulation de la convection à l'intérieur de l'équipement

Pendant la croissance des monocristaux de SiC, un contrôle strict de la température doit être maintenu pour garantir l’uniformité et la pureté des cristaux. Le phénomène de convection à l’intérieur de l’équipement peut provoquer une non-uniformité du champ de température, affectant ainsi la qualité des cristaux. La convection forme généralement un gradient de température, entraînant une structure non uniforme à la surface du cristal, ce qui affecte à son tour les performances et l'application des cristaux. Un bon contrôle de la convection peut ajuster la vitesse et la direction du flux de gaz, ce qui contribue à réduire la non-uniformité de la surface cristalline et à améliorer l'efficacité de la croissance. La structure géométrique complexe et le processus de dynamique des gaz à l’intérieur de l’équipement rendent extrêmement difficile le contrôle précis de la convection. Un environnement à haute température entraînera une diminution de l’efficacité du transfert de chaleur et augmentera la formation d’un gradient de température à l’intérieur de l’équipement, affectant ainsi l’uniformité et la qualité de la croissance cristalline. Certains gaz corrosifs peuvent affecter les matériaux et les éléments de transfert de chaleur à l'intérieur de l'équipement, affectant ainsi la stabilité et le contrôle de la convection. Les équipements de croissance de monocristaux SiC ont généralement une structure complexe et de multiples mécanismes de transfert de chaleur, tels que le transfert de chaleur par rayonnement, le transfert de chaleur par convection et la conduction thermique. Ces mécanismes de transfert de chaleur sont couplés les uns aux autres, ce qui rend la régulation de la convection plus compliquée, en particulier lorsqu'il existe des processus d'écoulement multiphasique et de changement de phase à l'intérieur de l'équipement, il est plus difficile de modéliser et de contrôler avec précision la convection.

3 points clés de la conception du champ thermique de l'équipement de croissance monocristallin SiC

3.1 Distribution et contrôle de la puissance de chauffage

Dans la conception du champ thermique, le mode de distribution et la stratégie de contrôle de la puissance de chauffage doivent être déterminés en fonction des paramètres du processus et des exigences de croissance cristalline. L'équipement de croissance monocristallin SiC utilise des tiges chauffantes en graphite ou des radiateurs à induction pour le chauffage. L'uniformité et la stabilité du champ thermique peuvent être obtenues en concevant la disposition et la distribution de puissance du radiateur. Lors de la croissance des monocristaux de SiC, l’uniformité de la température a une influence importante sur la qualité du cristal. La répartition de la puissance de chauffage doit pouvoir assurer l'uniformité de la température dans le domaine thermique. Grâce à la simulation numérique et à la vérification expérimentale, la relation entre la puissance de chauffage et la répartition de la température peut être déterminée, puis le schéma de distribution de la puissance de chauffage peut être optimisé pour rendre la répartition de la température dans le champ thermique plus uniforme et stable. Lors de la croissance des monocristaux de SiC, le contrôle de la puissance de chauffage doit permettre d'obtenir une régulation précise et un contrôle stable de la température. Des algorithmes de contrôle automatique tels que le contrôleur PID ou le contrôleur flou peuvent être utilisés pour obtenir un contrôle en boucle fermée de la puissance de chauffage basé sur des données de température en temps réel renvoyées par des capteurs de température afin de garantir la stabilité et l'uniformité de la température dans le champ thermique. Lors de la croissance des monocristaux de SiC, la taille de la puissance de chauffage affectera directement le taux de croissance des cristaux. Le contrôle de la puissance de chauffage devrait permettre une régulation précise du taux de croissance des cristaux. En analysant et en vérifiant expérimentalement la relation entre la puissance de chauffage et le taux de croissance des cristaux, une stratégie raisonnable de contrôle de la puissance de chauffage peut être déterminée pour obtenir un contrôle précis du taux de croissance des cristaux. Pendant le fonctionnement de l’équipement de croissance monocristalline SiC, la stabilité de la puissance de chauffage a un impact important sur la qualité de la croissance cristalline. Des équipements de chauffage et des systèmes de contrôle stables et fiables sont nécessaires pour garantir la stabilité et la fiabilité de la puissance de chauffage. L'équipement de chauffage doit être régulièrement entretenu et entretenu pour découvrir et résoudre en temps opportun les défauts et les problèmes de l'équipement de chauffage afin d'assurer le fonctionnement normal de l'équipement et la production stable de puissance de chauffage. En concevant rationnellement le schéma de distribution de l'énergie calorifique, en tenant compte de la relation entre la puissance calorifique et la distribution de la température, en réalisant un contrôle précis de la puissance calorifique et en garantissant la stabilité et la fiabilité de la puissance calorifique, l'efficacité de croissance et la qualité cristalline de l'équipement de croissance monocristallin SiC peuvent être efficacement amélioré, et les progrès et le développement de la technologie de croissance monocristalline SiC peuvent être favorisés.

3.2 Conception et réglage du système de contrôle de la température

Avant de concevoir le système de contrôle de la température, une analyse de simulation numérique est nécessaire pour simuler et calculer les processus de transfert de chaleur tels que la conduction thermique, la convection et le rayonnement lors de la croissance des monocristaux de SiC afin d'obtenir la répartition du champ de température. Grâce à une vérification expérimentale, les résultats de la simulation numérique sont corrigés et ajustés pour déterminer les paramètres de conception du système de contrôle de la température, tels que la puissance de chauffage, la disposition de la zone de chauffage et l'emplacement du capteur de température. Lors de la croissance des monocristaux de SiC, le chauffage par résistance ou le chauffage par induction est généralement utilisé pour le chauffage. Il est nécessaire de sélectionner un élément chauffant adapté. Pour le chauffage par résistance, un fil de résistance à haute température ou un four à résistance peut être sélectionné comme élément chauffant ; pour le chauffage par induction, une bobine de chauffage par induction ou une plaque chauffante par induction appropriée doit être sélectionnée. Lors de la sélection d'un élément chauffant, des facteurs tels que l'efficacité du chauffage, l'uniformité du chauffage, la résistance aux températures élevées et l'impact sur la stabilité du champ thermique doivent être pris en compte. La conception du système de contrôle de la température doit prendre en compte non seulement la stabilité et l'uniformité de la température, mais également la précision du réglage de la température et la vitesse de réponse. Il est nécessaire de concevoir une stratégie raisonnable de contrôle de la température, telle qu'un contrôle PID, un contrôle flou ou un contrôle par réseau neuronal, pour obtenir un contrôle et un ajustement précis de la température. Il est également nécessaire de concevoir un schéma de réglage de la température approprié, tel qu'un réglage de liaison multipoint, un réglage de compensation locale ou un réglage de rétroaction, pour assurer une répartition uniforme et stable de la température sur l'ensemble du champ thermique. Afin de réaliser une surveillance et un contrôle précis de la température pendant la croissance des monocristaux de SiC, il est nécessaire d'adopter une technologie avancée de détection de température et un équipement de contrôle. Vous pouvez choisir des capteurs de température de haute précision tels que des thermocouples, des résistances thermiques ou des thermomètres infrarouges pour surveiller les changements de température dans chaque zone en temps réel, et choisir un équipement de contrôle de température haute performance, tel qu'un contrôleur PLC (voir Figure 1) ou un contrôleur DSP. , pour obtenir un contrôle et un réglage précis des éléments chauffants. En déterminant les paramètres de conception basés sur des méthodes de simulation numérique et de vérification expérimentale, en sélectionnant les méthodes de chauffage et les éléments chauffants appropriés, en concevant des stratégies et des schémas de réglage raisonnables de la température, et en utilisant une technologie avancée de détection de la température et un équipement de contrôle, vous pouvez obtenir efficacement un contrôle et un réglage précis de la température pendant la croissance des monocristaux de SiC et améliorer la qualité et le rendement des monocristaux.

3.3 Simulation numérique de la dynamique des fluides

L’établissement d’un modèle précis constitue la base de la simulation numérique de la dynamique des fluides (CFD). L'équipement de croissance de monocristaux SiC est généralement composé d'un four en graphite, d'un système de chauffage par induction, d'un creuset, d'un gaz protecteur, etc. Dans le processus de modélisation, il est nécessaire de prendre en compte la complexité de la structure du four, les caractéristiques de la méthode de chauffage. , et l'influence du mouvement de la matière sur le champ d'écoulement. La modélisation tridimensionnelle est utilisée pour reconstruire avec précision les formes géométriques du four, du creuset, de la bobine d'induction, etc., et prendre en compte les paramètres physiques thermiques et les conditions aux limites du matériau, tels que la puissance calorifique et le débit de gaz.

Dans la simulation CFD, les méthodes numériques couramment utilisées incluent la méthode des volumes finis (FVM) et la méthode des éléments finis (FEM). Compte tenu des caractéristiques des équipements de croissance de monocristaux SiC, la méthode FVM est généralement utilisée pour résoudre les équations d'écoulement de fluide et de conduction thermique. En termes de maillage, il est nécessaire de prêter attention à la subdivision des zones clés, telles que la surface du creuset en graphite et la zone de croissance du monocristal, pour garantir la précision des résultats de simulation. Le processus de croissance du monocristal de SiC implique une variété de processus physiques, tels que la conduction thermique, le transfert de chaleur par rayonnement, le mouvement des fluides, etc. En fonction de la situation réelle, des modèles physiques et des conditions limites appropriés sont sélectionnés pour la simulation. Par exemple, compte tenu de la conduction thermique et du transfert de chaleur par rayonnement entre le creuset en graphite et le monocristal de SiC, des conditions limites de transfert de chaleur appropriées doivent être définies ; compte tenu de l’influence du chauffage par induction sur le mouvement des fluides, les conditions limites de la puissance de chauffage par induction doivent être prises en compte.

Avant la simulation CFD, il est nécessaire de définir le pas de temps de simulation, les critères de convergence et d'autres paramètres, et d'effectuer des calculs. Pendant le processus de simulation, il est nécessaire d'ajuster continuellement les paramètres pour assurer la stabilité et la convergence des résultats de simulation, et de post-traiter les résultats de simulation, tels que la distribution du champ de température, la distribution de la vitesse du fluide, etc., pour une analyse et une optimisation plus approfondies. . L'exactitude des résultats de simulation est vérifiée par comparaison avec la distribution du champ de température, la qualité du monocristal et d'autres données du processus de croissance réel. Selon les résultats de la simulation, la structure du four, la méthode de chauffage et d'autres aspects sont optimisés pour améliorer l'efficacité de croissance et la qualité des monocristaux de l'équipement de croissance de monocristaux SiC. La simulation CFD de la conception du champ thermique des équipements de croissance de monocristaux de SiC implique l'établissement de modèles précis, la sélection de méthodes numériques et de maillages appropriés, la détermination de modèles physiques et de conditions aux limites, la définition et le calcul des paramètres de simulation, ainsi que la vérification et l'optimisation des résultats de simulation. La simulation CFD scientifique et raisonnable peut fournir des références importantes pour la conception et l'optimisation des équipements de croissance de monocristaux SiC, et améliorer l'efficacité de la croissance et la qualité des monocristaux.

3.4 Conception de la structure du four

Étant donné que la croissance d'un monocristal de SiC nécessite une température élevée, une inertie chimique et une bonne conductivité thermique, le matériau du corps du four doit être choisi parmi des matériaux résistants aux températures élevées et à la corrosion, tels que les céramiques de carbure de silicium (SiC), le graphite, etc. stabilité à haute température et inertie chimique, et constitue un matériau idéal pour le corps du four. La surface de la paroi intérieure du corps du four doit être lisse et uniforme pour réduire le rayonnement thermique et la résistance au transfert de chaleur et améliorer la stabilité du champ thermique. La structure du four doit être simplifiée autant que possible, avec moins de couches structurelles pour éviter une concentration de contraintes thermiques et un gradient de température excessif. Une structure cylindrique ou rectangulaire est généralement utilisée pour faciliter une répartition uniforme et la stabilité du champ thermique. Des éléments chauffants auxiliaires tels que des serpentins chauffants et des résistances sont placés à l'intérieur du four pour améliorer l'uniformité de la température et la stabilité du champ thermique et garantir la qualité et l'efficacité de la croissance monocristalline. Les méthodes de chauffage courantes comprennent le chauffage par induction, le chauffage par résistance et le chauffage par rayonnement. Dans les équipements de croissance de monocristaux SiC, une combinaison de chauffage par induction et de chauffage par résistance est souvent utilisée. Le chauffage par induction est principalement utilisé pour un chauffage rapide afin d'améliorer l'uniformité de la température et la stabilité du champ thermique ; le chauffage par résistance est utilisé pour maintenir une température et un gradient de température constants afin de maintenir la stabilité du processus de croissance. Le chauffage par rayonnement peut améliorer l’uniformité de la température à l’intérieur du four, mais il est généralement utilisé comme méthode de chauffage auxiliaire.

4. Conclusion

Avec la demande croissante de matériaux SiC dans l'électronique de puissance, l'optoélectronique et d'autres domaines, le développement de la technologie de croissance de monocristaux SiC deviendra un domaine clé de l'innovation scientifique et technologique. En tant que cœur de l’équipement de croissance de monocristaux SiC, la conception du champ thermique continuera de faire l’objet d’une attention considérable et de recherches approfondies. Les orientations de développement futures incluent l'optimisation supplémentaire de la structure du champ thermique et du système de contrôle pour améliorer l'efficacité de la production et la qualité des monocristaux ; explorer de nouveaux matériaux et technologies de traitement pour améliorer la stabilité et la durabilité de l'équipement ; et intégrer une technologie intelligente pour réaliser un contrôle automatique et une surveillance à distance des équipements.