تصميم المجال الحراري لنمو الكريستال المفرد كذا

1 أهمية تصميم المجال الحراري في معدات النمو البلورية المفردة كذا

يعد SIC Single Crystal مادة أشباه الموصلات المهمة ، والتي تستخدم على نطاق واسع في إلكترونيات الطاقة والإلكترونيات الضوئية والتطبيقات عالية الحرارة. يؤثر تصميم المجال الحراري بشكل مباشر على سلوك التبلور ، والتوحيد والتحكم في الشوائب في البلورة ، وله تأثير حاسم على أداء وإخراج معدات النمو البلورية المفردة. تؤثر جودة البلورة الفردية SIC بشكل مباشر على أدائها وموثوقيتها في تصنيع الأجهزة. من خلال تصميم الحقل الحراري بعقلانية ، يمكن تحقيق توحيد توزيع درجة الحرارة أثناء نمو البلورة ، ويمكن تجنب الإجهاد الحراري والتدرج الحراري في البلورة ، مما يقلل من معدل تكوين العيوب البلورية. يمكن أن يحسن تصميم المجال الحراري المحسن من جودة الوجه البلورية ومعدل التبلور ، مما يزيد من تحسين السلامة الهيكلية والنقاء الكيميائي للكريستال ، والتأكد من أن البلورة المفردة المزروعة لها خصائص كهربائية وصورية جيدة.

يؤثر معدل نمو بلورة SiC المفردة بشكل مباشر على تكلفة الإنتاج والقدرة. من خلال التصميم العقلاني للمجال الحراري، يمكن تحسين التدرج الحراري وتوزيع تدفق الحرارة أثناء عملية نمو البلورة، ويمكن تحسين معدل نمو البلورة ومعدل الاستخدام الفعال لمنطقة النمو. يمكن لتصميم المجال الحراري أيضًا تقليل فقدان الطاقة وهدر المواد أثناء عملية النمو، وتقليل تكاليف الإنتاج، وتحسين كفاءة الإنتاج، وبالتالي زيادة إنتاج بلورات SiC المفردة. تتطلب معدات النمو أحادية البلورة SiC عادةً كمية كبيرة من إمدادات الطاقة ونظام التبريد، كما أن التصميم العقلاني للمجال الحراري يمكن أن يقلل من استهلاك الطاقة، ويقلل من استهلاك الطاقة والانبعاثات البيئية. ومن خلال تحسين هيكل المجال الحراري ومسار تدفق الحرارة، يمكن تعظيم الطاقة، ويمكن إعادة تدوير الحرارة المهدرة لتحسين كفاءة الطاقة وتقليل التأثيرات السلبية على البيئة.

2 صعوبات في تصميم المجال الحراري لمعدات نمو البلورة الفردية SIC

2.1 عدم توصيل الموصلية الحرارية للمواد

تعتبر SiC مادة شبه موصلة مهمة جدًا. تتميز الموصلية الحرارية بخصائص ثبات درجة الحرارة العالية والتوصيل الحراري الممتاز، ولكن توزيع التوصيل الحراري له عدم انتظام معين. في عملية نمو بلورة مفردة من SiC، من أجل ضمان توحيد وجودة نمو البلورات، يجب التحكم بدقة في المجال الحراري. سيؤدي عدم انتظام التوصيل الحراري لمواد SiC إلى عدم استقرار توزيع المجال الحراري، مما يؤثر بدوره على انتظام ونوعية نمو البلورات. معدات نمو البلورة المفردة SiC عادة ما تعتمد طريقة ترسيب البخار الفيزيائي (PVT) أو طريقة نقل الطور الغازي، الأمر الذي يتطلب الحفاظ على بيئة درجة حرارة عالية في غرفة النمو وتحقيق نمو البلورات عن طريق التحكم الدقيق في توزيع درجة الحرارة. سيؤدي عدم انتظام التوصيل الحراري لمواد SiC إلى توزيع غير منتظم لدرجة الحرارة في غرفة النمو، مما يؤثر على عملية نمو البلورة، مما قد يسبب عيوبًا بلورية أو جودة بلورية غير موحدة. أثناء نمو بلورات SiC المفردة، من الضروري إجراء محاكاة ديناميكية ثلاثية الأبعاد وتحليل المجال الحراري من أجل فهم القانون المتغير لتوزيع درجة الحرارة بشكل أفضل وتحسين التصميم بناءً على نتائج المحاكاة. نظرًا لعدم انتظام التوصيل الحراري لمواد SiC، قد تتأثر تحليلات المحاكاة هذه بدرجة معينة من الخطأ، مما يؤثر على التحكم الدقيق والتصميم الأمثل للمجال الحراري.

2.2 صعوبة تنظيم الحمل داخل المعدات

أثناء نمو بلورات SiC المفردة، يجب الحفاظ على التحكم الصارم في درجة الحرارة لضمان توحيد ونقاء البلورات. قد تتسبب ظاهرة الحمل الحراري داخل الجهاز في عدم انتظام مجال درجة الحرارة، مما يؤثر على جودة البلورات. عادة ما يشكل الحمل الحراري تدرجًا في درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تكوين بنية غير موحدة على سطح البلورة، مما يؤثر بدوره على أداء وتطبيق البلورات. يمكن للتحكم الجيد في الحمل الحراري ضبط سرعة واتجاه تدفق الغاز، مما يساعد على تقليل عدم انتظام السطح البلوري وتحسين كفاءة النمو. إن البنية الهندسية المعقدة وعملية ديناميكيات الغاز داخل المعدات تجعل من الصعب للغاية التحكم بدقة في الحمل الحراري. ستؤدي بيئة درجة الحرارة المرتفعة إلى انخفاض كفاءة نقل الحرارة وزيادة تكوين التدرج الحراري داخل الجهاز، مما يؤثر على انتظام وجودة نمو البلورات. قد تؤثر بعض الغازات المسببة للتآكل على المواد وعناصر نقل الحرارة داخل المعدات، مما يؤثر على استقرار الحمل الحراري وإمكانية التحكم فيه. عادةً ما تحتوي معدات النمو ذات البلورة الواحدة من SiC على بنية معقدة وآليات متعددة لنقل الحرارة، مثل نقل الحرارة الإشعاعية ونقل الحرارة بالحمل الحراري والتوصيل الحراري. تقترن آليات نقل الحرارة هذه مع بعضها البعض، مما يجعل تنظيم الحمل الحراري أكثر تعقيدًا، خاصة عندما تكون هناك عمليات تدفق متعددة المراحل وتغيير الطور داخل المعدات، يكون من الصعب تصميم الحمل الحراري والتحكم فيه بدقة.

3 نقاط رئيسية لتصميم المجال الحراري لمعدات نمو البلورة الفردية SIC

3.1 توزيع طاقة التدفئة والتحكم

في تصميم المجال الحراري ، يجب تحديد وضع التوزيع واستراتيجية التحكم في طاقة التدفئة وفقًا لمعلمات العملية ومتطلبات نمو البلورة. تستخدم معدات النمو الكريستال المفردة قضبان تسخين الجرافيت أو سخانات التعريفية للتدفئة. يمكن تحقيق توحيد واستقرار المجال الحراري من خلال تصميم تخطيط وتوزيع الطاقة للسخان. خلال نمو البلورات الفردية SIC ، يكون للتناسب في درجة الحرارة تأثير مهم على جودة البلورة. يجب أن يكون توزيع طاقة التدفئة قادرًا على ضمان توحيد درجة الحرارة في المجال الحراري. من خلال المحاكاة العددية والتحقق التجريبي ، يمكن تحديد العلاقة بين طاقة التدفئة وتوزيع درجة الحرارة ، ثم يمكن تحسين نظام توزيع طاقة التدفئة لجعل توزيع درجة الحرارة في المجال الحراري أكثر اتساقًا واستقرارًا. أثناء نمو البلورات الفردية SIC ، يجب أن تكون التحكم في قوة التدفئة قادرة على تحقيق تنظيم دقيق والتحكم المستقر في درجة الحرارة. يمكن استخدام خوارزميات التحكم التلقائية مثل وحدة التحكم PID أو وحدة التحكم الغامضة لتحقيق التحكم في حلقة مغلقة لقوة التسخين استنادًا إلى بيانات درجة الحرارة في الوقت الفعلي الذي تغذيه أجهزة استشعار درجة الحرارة لضمان استقرار وتوحيد درجة الحرارة في المجال الحراري. أثناء نمو البلورات الفردية SIC ، سيؤثر حجم قوة التدفئة بشكل مباشر على معدل نمو البلورة. يجب أن تكون التحكم في قوة التدفئة قادرة على تحقيق تنظيم دقيق لمعدل نمو البلورة. من خلال تحليل العلاقة بين طاقة التدفئة والتحقق تجريبياً بين قوة التدفئة ومعدل نمو البلورة ، يمكن تحديد استراتيجية معقولة للتحكم في طاقة التدفئة لتحقيق تحكم دقيق في معدل نمو البلورة. أثناء تشغيل معدات نمو البلورة الفردية SIC ، يكون لاستقرار قوة التدفئة تأثيرًا مهمًا على جودة نمو البلورة. مطلوب معدات التسخين المستقرة والموثوقة وأنظمة التحكم لضمان استقرار وموثوقية طاقة التدفئة. يجب الحفاظ على معدات التدفئة وخدمتها بانتظام لاكتشاف وحل الأعطال والمشاكل في معدات التدفئة في الوقت المناسب لضمان التشغيل العادي للمعدات والإخراج المستقر لطاقة التدفئة. من خلال التصميم العقلاني لمخطط توزيع طاقة التدفئة ، بالنظر إلى العلاقة بين طاقة التدفئة وتوزيع درجة الحرارة ، وتحقيق التحكم الدقيق في طاقة التسخين ، وضمان استقرار وموثوقية قوة التسخين ، يمكن أن تكون كفاءة النمو والجودة البلورية لمعدات نمو البلورة المفردة الشديدة تم تحسينها بشكل فعال ، ويمكن تعزيز تقدم وتطوير تقنية نمو البلورة الفردية SIC.

3.2 تصميم وتعديل نظام التحكم في درجة الحرارة

قبل تصميم نظام التحكم في درجة الحرارة، مطلوب تحليل المحاكاة العددية لمحاكاة وحساب عمليات نقل الحرارة مثل التوصيل الحراري والحمل الحراري والإشعاع أثناء نمو بلورات SiC المفردة للحصول على توزيع مجال درجة الحرارة. من خلال التحقق التجريبي، يتم تصحيح نتائج المحاكاة العددية وتعديلها لتحديد معلمات التصميم لنظام التحكم في درجة الحرارة، مثل طاقة التسخين، وتخطيط منطقة التسخين، وموقع مستشعر درجة الحرارة. أثناء نمو بلورات SiC المفردة، عادةً ما يتم استخدام التسخين بالمقاومة أو التسخين التعريفي للتدفئة. من الضروري اختيار عنصر التسخين المناسب. للتسخين بالمقاومة، يمكن اختيار سلك مقاومة درجات الحرارة العالية أو فرن المقاومة كعنصر تسخين؛ للتسخين الحثي، يجب تحديد ملف التسخين الحثي المناسب أو لوحة التسخين الحثي. عند اختيار عنصر التسخين، يجب مراعاة عوامل مثل كفاءة التسخين، وتوحيد التسخين، ومقاومة درجات الحرارة العالية، والتأثير على استقرار المجال الحراري. لا يحتاج تصميم نظام التحكم في درجة الحرارة إلى مراعاة استقرار وتوحيد درجة الحرارة فحسب، بل يجب أيضًا مراعاة دقة ضبط درجة الحرارة وسرعة الاستجابة. من الضروري تصميم استراتيجية معقولة للتحكم في درجة الحرارة، مثل التحكم PID أو التحكم الغامض أو التحكم في الشبكة العصبية، لتحقيق التحكم الدقيق في درجة الحرارة وتعديلها. ومن الضروري أيضًا تصميم مخطط مناسب لضبط درجة الحرارة، مثل تعديل الارتباط متعدد النقاط، أو تعديل التعويض المحلي، أو تعديل التغذية المرتدة، لضمان توزيع درجة الحرارة بشكل موحد ومستقر للمجال الحراري بأكمله. من أجل تحقيق المراقبة الدقيقة والتحكم في درجة الحرارة أثناء نمو بلورات SiC المفردة، من الضروري اعتماد تكنولوجيا استشعار درجة الحرارة المتقدمة ومعدات التحكم. يمكنك اختيار أجهزة استشعار درجة الحرارة عالية الدقة مثل المزدوجات الحرارية أو المقاومات الحرارية أو مقاييس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء لمراقبة التغيرات في درجة الحرارة في كل منطقة في الوقت الحقيقي، واختيار معدات التحكم في درجة الحرارة عالية الأداء، مثل جهاز التحكم PLC (انظر الشكل 1) أو جهاز التحكم DSP لتحقيق التحكم الدقيق وضبط عناصر التسخين. من خلال تحديد معلمات التصميم بناءً على المحاكاة الرقمية وطرق التحقق التجريبية، واختيار طرق التسخين وعناصر التسخين المناسبة، وتصميم استراتيجيات التحكم في درجة الحرارة وخطط الضبط المعقولة، واستخدام تكنولوجيا استشعار درجة الحرارة المتقدمة ومعدات التحكم، يمكنك تحقيق تحكم وضبط دقيقين بشكل فعال درجة الحرارة أثناء نمو بلورات SiC المفردة، وتحسين جودة وإنتاجية البلورات المفردة.

3.3 محاكاة ديناميات السوائل الحسابية

إنشاء نموذج دقيق هو أساس محاكاة ديناميات السوائل الحسابية (CFD). تتكون معدات نمو البلورة الفردية SIC عادة من فرن الجرافيت ، ونظام تسخين الحث ، والبوتقة ، وغاز وقائي ، وما إلى ذلك في عملية النمذجة ، من الضروري النظر في تعقيد بنية الفرن ، وخصائص طريقة التدفئة وتأثير حركة المواد على حقل التدفق. يتم استخدام النمذجة ثلاثية الأبعاد لإعادة بناء الأشكال الهندسية للفرن بدقة ، والسرطان ، والفائف التعريفية ، وما إلى ذلك ، والنظر في المعلمات الفيزيائية الحرارية والظروف الحدودية للمادة ، مثل طاقة التدفئة وتدفق الغاز.

في محاكاة CFD ، تشمل الطرق العددية الشائعة الاستخدام طريقة الحجم المحدود (FVM) وطريقة العناصر المحدودة (FEM). في ضوء خصائص معدات النمو البلورية المفردة SIC ، يتم استخدام طريقة FVM عمومًا لحل معادلات توصيل السوائل ومعادلات توصيل الحرارة. فيما يتعلق بالتعطل ، من الضروري الانتباه إلى المناطق الرئيسية المقسمة ، مثل سطح الجرافيت بوتقة ومنطقة نمو البلورة المفردة ، لضمان دقة نتائج المحاكاة. تتضمن عملية نمو البلورة الفردية SIC مجموعة متنوعة من العمليات الفيزيائية ، مثل توصيل الحرارة ، ونقل حرارة الإشعاع ، وحركة السوائل ، وما إلى ذلك ، وفقًا للوضع الفعلي ، يتم اختيار النماذج الفيزيائية المناسبة والظروف الحدودية للمحاكاة. على سبيل المثال ، بالنظر إلى توصيل الحرارة ونقل حرارة الإشعاع بين بوتقة الجرافيت والكريستال المفرد SIC ، يجب ضبط شروط حدود نقل الحرارة المناسبة ؛ بالنظر إلى تأثير التدفئة الحث على حركة السوائل ، يجب النظر في الظروف الحدودية لقوة التدفئة الحث.

قبل محاكاة عقود الفروقات، من الضروري تحديد الخطوة الزمنية للمحاكاة ومعايير التقارب والمعلمات الأخرى وإجراء الحسابات. أثناء عملية المحاكاة، من الضروري ضبط المعلمات بشكل مستمر لضمان استقرار نتائج المحاكاة وتقاربها، ومعالجة نتائج المحاكاة بعد المعالجة، مثل توزيع مجال درجة الحرارة، وتوزيع سرعة السوائل، وما إلى ذلك، لمزيد من التحليل والتحسين . يتم التحقق من دقة نتائج المحاكاة من خلال المقارنة مع توزيع مجال درجة الحرارة وجودة البلورة المفردة وغيرها من البيانات في عملية النمو الفعلية. وفقًا لنتائج المحاكاة، تم تحسين هيكل الفرن وطريقة التسخين والجوانب الأخرى لتحسين كفاءة النمو وجودة البلورة المفردة لمعدات النمو البلورية المفردة SiC. تتضمن محاكاة CFD لتصميم المجال الحراري لمعدات النمو البلورية أحادية SiC إنشاء نماذج دقيقة، واختيار الطرق العددية المناسبة والشبكات، وتحديد النماذج الفيزيائية والظروف الحدودية، وإعداد وحساب معلمات المحاكاة، والتحقق من نتائج المحاكاة وتحسينها. يمكن أن توفر محاكاة CFD العلمية والمعقولة مراجع مهمة لتصميم وتحسين معدات النمو البلورية المفردة SiC، وتحسين كفاءة النمو وجودة البلورة المفردة.

3.4 تصميم هيكل الفرن

بالنظر إلى أن نمو البلورة المفردة في SIC يتطلب درجة حرارة عالية ، والختام الكيميائي والتوصيل الحراري الجيد ، يجب اختيار مادة جسم الفرن من مواد عالية درجة الحرارة والمقاومة للتآكل ، مثل سيراميك كربيد السيليكون (SIC) ، والجرافيت ، وما إلى ذلك. ثبات درجات الحرارة العالي والختام الكيميائي ، وهو مادة جسم فرن مثالية. يجب أن يكون سطح الجدار الداخلي لجسم الفرن ناعمًا وموحدًا لتقليل الإشعاع الحراري ومقاومة نقل الحرارة وتحسين استقرار المجال الحراري. يجب تبسيط بنية الفرن قدر الإمكان ، مع وجود عدد أقل من الطبقات الهيكلية لتجنب تركيز الإجهاد الحراري وتدرج درجة الحرارة المفرطة. عادة ما يتم استخدام بنية أسطواني أو مستطيلة لتسهيل التوزيع الموحد واستقرار المجال الحراري. يتم تعيين عناصر التدفئة الإضافية مثل ملفات التسخين والمقاومات داخل الفرن لتحسين توحيد درجة الحرارة واستقرار المجال الحراري وضمان جودة وكفاءة نمو البلورة المفردة. تشمل طرق التدفئة الشائعة التدفئة الحثية ، وتدفئة المقاومة وتدفئة الإشعاع. في معدات النمو البلورية المفردة ، غالبًا ما يتم استخدام مزيج من التدفئة الحث والتدفئة المقاومة. يستخدم التسخين الحث بشكل أساسي للتدفئة السريعة لتحسين توحيد درجة الحرارة واستقرار المجال الحراري ؛ يتم استخدام تسخين المقاومة للحفاظ على درجة حرارة ثابتة ودرجة حرارة التدرج للحفاظ على استقرار عملية النمو. يمكن أن يحسن تسخين الإشعاع من توحيد درجة الحرارة داخل الفرن ، ولكن عادةً ما يتم استخدامه كطريقة تسخين إضافية.

4 الاستنتاج

مع تزايد الطلب على مواد SiC في إلكترونيات الطاقة والإلكترونيات الضوئية وغيرها من المجالات، فإن تطوير تكنولوجيا النمو البلوري الفردي SiC سيصبح مجالًا رئيسيًا للابتكار العلمي والتكنولوجي. وباعتباره جوهر معدات النمو البلورية المفردة من SiC، سيستمر تصميم المجال الحراري في الحصول على اهتمام واسع النطاق وأبحاث متعمقة. تتضمن اتجاهات التطوير المستقبلية زيادة تحسين هيكل المجال الحراري ونظام التحكم لتحسين كفاءة الإنتاج وجودة البلورة الواحدة؛ واستكشاف مواد جديدة وتكنولوجيا المعالجة لتحسين استقرار المعدات ومتانتها؛ ودمج التكنولوجيا الذكية لتحقيق التحكم الآلي والمراقبة عن بعد للمعدات.