SiC 단결정 성장을 위한 열장 설계

1 SiC 단결정 성장 장비에서 열장 설계의 중요성

SiC 단결정은 전력 전자, 광전자 공학 및 고온 응용 분야에 널리 사용되는 중요한 반도체 재료입니다. 열장 설계는 결정의 결정화 거동, 균일성 및 불순물 제어에 직접적인 영향을 미치며 SiC 단결정 성장 장비의 성능과 출력에 결정적인 영향을 미칩니다. SiC 단결정의 품질은 장치 제조의 성능과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 열장을 합리적으로 설계함으로써 결정 성장 중 온도 분포의 균일성을 얻을 수 있고 결정의 열 응력 및 열 구배를 피할 수 있어 결정 결함의 형성 속도를 줄일 수 있습니다. 최적화된 열장 설계는 결정면 품질과 결정화 속도를 향상시키고, 결정의 구조적 무결성과 화학적 순도를 더욱 향상시키며, 성장된 SiC 단결정이 우수한 전기적 및 광학적 특성을 갖도록 보장할 수 있습니다.

SiC 단결정의 성장 속도는 생산 비용과 생산 능력에 직접적인 영향을 미칩니다. 열장을 합리적으로 설계함으로써 결정 성장 과정 중 온도 구배와 열 흐름 분포를 최적화할 수 있으며, 결정 성장 속도와 성장 영역의 유효 이용률을 향상시킬 수 있습니다. 또한 열장 설계는 성장 과정에서 에너지 손실과 재료 낭비를 줄이고 생산 비용을 절감하며 생산 효율성을 향상시켜 SiC 단결정의 생산량을 높일 수 있습니다. SiC 단결정 성장 장비에는 일반적으로 많은 양의 에너지 공급 및 냉각 시스템이 필요하며 열장을 합리적으로 설계하면 에너지 소비를 줄이고 에너지 소비 및 환경 배출을 줄일 수 있습니다. 열장 구조와 열 흐름 경로를 최적화함으로써 에너지를 극대화할 수 있으며, 폐열을 재활용하여 에너지 효율을 높이고 환경에 미치는 부정적인 영향을 줄일 수 있습니다.

2 SiC 단결정 성장 장비의 열장 설계의 어려움

2.1 재료의 열전도율 불균일

SiC는 매우 중요한 반도체 소재이다. 열전도율은 고온 안정성과 우수한 열전도율 특성을 가지고 있지만 열전도율 분포는 불균일합니다. SiC 단결정 성장 과정에서 결정 성장의 균일성과 품질을 보장하려면 열장을 정밀하게 제어해야 합니다. SiC 재료의 열전도율이 불균일하면 열장 분포가 불안정해지며 이는 결정 성장의 균일성과 품질에 영향을 미칩니다. SiC 단결정 성장 장비는 일반적으로 PVT(물리적 기상 증착) 방식이나 기상 수송 방식을 채택하는데, 이는 성장 챔버 내 고온 환경을 유지하고 온도 분포를 정밀하게 제어하여 결정 성장을 구현해야 합니다. SiC 재료의 열전도율이 불균일하면 성장 챔버의 온도 분포가 불균일해 결정 성장 공정에 영향을 미쳐 결정 결함이나 결정 품질이 불균일해질 수 있습니다. SiC 단결정 성장 중에 온도 분포의 변화 법칙을 더 잘 이해하고 시뮬레이션 결과를 기반으로 설계를 최적화하려면 열장에 대한 3차원 동적 시뮬레이션과 분석을 수행해야 합니다. SiC 재료의 열전도도가 불균일하기 때문에 이러한 시뮬레이션 분석은 어느 정도 오류의 영향을 받을 수 있으며, 따라서 열장의 정밀한 제어 및 최적화 설계에 영향을 미칠 수 있습니다.

2.2 장비 내부 대류 조절의 어려움

SiC 단결정 성장 중에는 결정의 균일성과 순도를 보장하기 위해 엄격한 온도 제어가 유지되어야 합니다. 장비 내부의 대류 현상은 온도장의 불균일을 유발하여 결정의 품질에 영향을 줄 수 있습니다. 대류는 일반적으로 온도 구배를 형성하여 결정 표면에 불균일한 구조를 만들어 결정의 성능과 응용에 영향을 미칩니다. 좋은 대류 제어는 가스 흐름 속도와 방향을 조정할 수 있어 결정 표면의 불균일성을 줄이고 성장 효율을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 장비 내부의 복잡한 기하학적 구조와 가스 역학 프로세스로 인해 대류를 정확하게 제어하는 ​​것이 매우 어렵습니다. 고온 환경은 열 전달 효율을 감소시키고 장비 내부의 온도 구배 형성을 증가시켜 결정 성장의 균일성과 품질에 영향을 미칩니다. 일부 부식성 가스는 장비 내부의 재료와 열 전달 요소에 영향을 미쳐 대류의 안정성과 제어 가능성에 영향을 줄 수 있습니다. SiC 단결정 성장 장비는 일반적으로 복사 열 전달, 대류 열 전달 및 열 전도와 같은 복잡한 구조와 다중 열 전달 메커니즘을 가지고 있습니다. 이러한 열 전달 메커니즘은 서로 결합되어 대류 조절을 더욱 복잡하게 만듭니다. 특히 장비 내부에 다상 흐름 및 상 변화 프로세스가 있는 경우 대류를 정확하게 모델링하고 제어하는 ​​것이 더 어렵습니다.

SiC 단결정 성장 장비의 열장 설계 3대 핵심 포인트

3.1 난방 전력 분배 및 제어

열장 설계에서 가열 전력의 분배 모드와 제어 전략은 공정 매개변수와 결정 성장 요구 사항에 따라 결정되어야 합니다. SiC 단결정 성장 장비는 흑연 가열봉이나 유도 가열기를 사용하여 가열합니다. 열장의 균일성과 안정성은 히터의 레이아웃과 전력 분배를 설계하여 달성할 수 있습니다. SiC 단결정 성장 과정에서 온도 균일성은 결정 품질에 중요한 영향을 미칩니다. 가열 전력의 분포는 열장에서 온도의 균일성을 보장할 수 있어야 합니다. 수치 시뮬레이션과 실험적 검증을 통해 가열 전력과 온도 분포 사이의 관계를 결정할 수 있으며, 가열 전력 분포 방식을 최적화하여 열장 내 온도 분포를 보다 균일하고 안정적으로 만들 수 있습니다. SiC 단결정 성장 과정에서 발열량 제어를 통해 온도를 정밀하게 조절하고 안정적인 온도 제어가 가능해야 합니다. PID 컨트롤러 또는 퍼지 컨트롤러와 같은 자동 제어 알고리즘을 사용하면 온도 센서에서 피드백되는 실시간 온도 데이터를 기반으로 가열 전력의 폐쇄 루프 제어를 달성하여 열장에서 온도의 안정성과 균일성을 보장할 수 있습니다. SiC 단결정이 성장하는 동안 가열 전력의 크기는 결정 성장 속도에 직접적인 영향을 미칩니다. 가열 전력의 제어는 결정 성장 속도의 정확한 조절을 달성할 수 있어야 합니다. 가열력과 결정 성장 속도 사이의 관계를 분석하고 실험적으로 검증함으로써 결정 성장 속도를 정밀하게 제어하기 위한 합리적인 가열 전력 제어 전략을 결정할 수 있습니다. SiC 단결정 성장 장비의 작동 중 가열 전력의 안정성은 결정 성장 품질에 중요한 영향을 미칩니다. 화력의 안정성과 신뢰성을 보장하려면 안정적이고 신뢰할 수 있는 난방 장비와 제어 시스템이 필요합니다. 난방 장비는 정기적으로 유지 관리 및 서비스를 받아야 난방 장비의 결함과 문제를 적시에 발견하고 해결하여 장비의 정상적인 작동과 안정적인 난방 전력 출력을 보장할 수 있습니다. 발열량과 온도 분포의 관계를 고려하여 발열량 분배 방식을 합리적으로 설계하고, 발열량의 정밀한 제어를 실현하며, 발열량의 안정성과 신뢰성을 확보함으로써 SiC 단결정 성장 장비의 성장 효율과 결정 품질을 향상시킬 수 있습니다. 효과적으로 개선하여 SiC 단결정 성장 기술의 진보와 개발을 촉진할 수 있습니다.

3.2 온도 조절 시스템의 설계 및 조정

온도 제어 시스템을 설계하기 전에 SiC 단결정 성장 중 열 전도, 대류 및 복사와 같은 열 전달 과정을 시뮬레이션하고 계산하여 온도 장의 분포를 얻는 수치 시뮬레이션 분석이 필요합니다. 실험적 검증을 통해 수치 시뮬레이션 결과를 수정 및 조정하여 가열 전력, 가열 영역 레이아웃, 온도 센서 위치 등 온도 제어 시스템의 설계 매개변수를 결정합니다. SiC 단결정 성장 중에는 일반적으로 저항 가열 또는 유도 가열을 사용하여 가열합니다. 적합한 발열체를 선택하는 것이 필요합니다. 저항 가열의 경우 고온 저항선 또는 저항로를 가열 요소로 선택할 수 있습니다. 유도 가열의 경우 적합한 유도 가열 코일 또는 유도 가열 플레이트를 선택해야 합니다. 가열 요소를 선택할 때 가열 효율, 가열 균일성, 높은 온도 저항, 열장 안정성에 미치는 영향 등의 요소를 고려해야 합니다. 온도 제어 시스템의 설계에는 온도의 안정성과 균일성뿐만 아니라 온도 조정 정확도와 응답 속도도 고려해야 합니다. 온도의 정확한 제어와 조정을 위해서는 PID 제어, 퍼지 제어, 신경망 제어 등 합리적인 온도 제어 전략을 설계하는 것이 필요합니다. 또한 전체 열장의 균일하고 안정적인 온도 분포를 보장하기 위해 다점 연결 조정, 로컬 보상 조정 또는 피드백 조정과 같은 적절한 온도 조정 방식을 설계해야 합니다. SiC 단결정 성장 과정에서 온도의 정밀한 모니터링과 제어를 실현하려면 첨단 온도 감지 기술과 제어 장비를 채택해야 합니다. 열전대, 열 저항기 또는 적외선 온도계와 같은 고정밀 온도 센서를 선택하여 각 영역의 온도 변화를 실시간으로 모니터링하고 PLC 컨트롤러(그림 1 참조) 또는 DSP 컨트롤러와 같은 고성능 온도 컨트롤러 장비를 선택할 수 있습니다. , 가열 요소의 정밀한 제어 및 조정을 달성합니다. 수치 시뮬레이션 및 실험적 검증 방법을 기반으로 설계 매개변수를 결정하고, 적절한 가열 방법 및 가열 요소를 선택하고, 합리적인 온도 제어 전략 및 조정 방식을 설계하고, 고급 온도 감지 기술 및 컨트롤러 장비를 사용하여 정밀한 제어 및 조정을 효과적으로 달성할 수 있습니다. SiC 단결정 성장 중 온도를 조절하여 단결정의 품질과 수율을 향상시킵니다.

3.3 전산유체역학 시뮬레이션

정확한 모델을 확립하는 것은 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션의 기초입니다. SiC 단결정 성장 장비는 일반적으로 흑연로, 유도가열 시스템, 도가니, 보호가스 등으로 구성된다. 모델링 과정에서는 로 구조의 복잡성, 가열 방식의 특성 등을 고려해야 한다. , 유동장에 대한 물질 이동의 영향. 3차원 모델링은 화로, 도가니, 유도코일 등의 기하학적 형상을 정확하게 재구성하고, 발열량, 가스유량 등 재료의 열물리적 매개변수와 경계조건을 고려하는 데 사용됩니다.

CFD 시뮬레이션에서 일반적으로 사용되는 수치해석 방법으로는 유한체적법(FVM)과 유한요소법(FEM)이 있습니다. SiC 단결정 성장장비의 특성상 유체흐름과 열전도 방정식을 풀기 위해서는 FVM법이 일반적으로 사용된다. 메싱 측면에서는 시뮬레이션 결과의 정확성을 보장하기 위해 흑연 도가니 표면 및 단결정 성장 영역과 같은 핵심 영역을 세분화하는 데 주의가 필요합니다. SiC 단결정의 성장 과정에는 열전도, 복사열 전달, 유체 이동 등과 같은 다양한 물리적 과정이 포함됩니다. 실제 상황에 따라 적절한 물리적 모델과 경계 조건을 선택하여 시뮬레이션합니다. 예를 들어, 흑연 도가니와 SiC 단결정 사이의 열 전도 및 복사 열 전달을 고려하여 적절한 열 전달 경계 조건을 설정해야 합니다. 유도 가열이 유체 이동에 미치는 영향을 고려하면 유도 가열 전력의 경계 조건을 고려해야 합니다.

CFD 시뮬레이션을 수행하기 전에 시뮬레이션 시간 단계, 수렴 기준 및 기타 매개변수를 설정하고 계산을 수행해야 합니다. 시뮬레이션 프로세스 중에는 시뮬레이션 결과의 안정성과 수렴을 보장하기 위해 매개변수를 지속적으로 조정하고 추가 분석 및 최적화를 위해 온도 장 분포, 유속 분포 등과 같은 시뮬레이션 결과를 후처리해야 합니다. . 시뮬레이션 결과의 정확성은 실제 성장 과정에서 온도장 분포, 단결정 품질 및 기타 데이터와 비교하여 검증됩니다. 시뮬레이션 결과에 따르면, SiC 단결정 성장 장비의 성장 효율과 단결정 품질을 향상시키기 위해 로 구조, 가열 방법 및 기타 측면이 최적화되었습니다. SiC 단결정 성장 장비의 열장 설계에 대한 CFD 시뮬레이션에는 정확한 모델 구축, 적절한 수치 방법 및 메시 선택, 물리적 모델 및 경계 조건 결정, 시뮬레이션 매개변수 설정 및 계산, 시뮬레이션 결과 검증 및 최적화가 포함됩니다. 과학적이고 합리적인 CFD 시뮬레이션은 SiC 단결정 성장 장비의 설계 및 최적화에 중요한 참고 자료를 제공하고 성장 효율성과 단결정 품질을 향상시킬 수 있습니다.

3.4 노 구조 설계

SiC 단결정 성장에는 고온, 화학적 불활성 및 우수한 열 전도성이 필요하다는 점을 고려하여 로 본체 재료는 탄화 규소 세라믹(SiC), 흑연 등과 같은 고온 및 내식성 재료 중에서 선택해야 합니다. SiC 재료는 우수한 고온 안정성과 화학적 불활성을 가지며 이상적인 퍼니스 본체 재료입니다. 로 본체의 내부 벽면은 열복사 및 열 전달 저항을 줄이고 열장 안정성을 향상시키기 위해 매끄럽고 균일해야 합니다. 가열로 구조는 열 응력 집중과 과도한 온도 구배를 피하기 위해 구조 층 수를 줄여 최대한 단순화해야 합니다. 열장의 균일한 분포와 안정성을 촉진하기 위해 일반적으로 원통형 또는 직사각형 구조가 사용됩니다. 가열 코일 및 저항기와 같은 보조 가열 요소는 가열로 내부에 설치되어 온도 균일성과 열장 안정성을 향상시키고 단결정 성장의 품질과 효율성을 보장합니다. 일반적인 가열 방법에는 유도 가열, 저항 가열 및 복사 가열이 포함됩니다. SiC 단결정 성장 장비에서는 유도 가열과 저항 가열을 조합하여 사용하는 경우가 많습니다. 유도 가열은 온도 균일성과 열장 안정성을 향상시키기 위해 급속 가열에 주로 사용됩니다. 저항 가열은 성장 과정의 안정성을 유지하기 위해 일정한 온도와 온도 구배를 유지하는 데 사용됩니다. 복사가열은 로 내부의 온도균일성을 향상시킬 수 있으나 일반적으로 보조가열 방식으로 사용된다.

4 결론

전력 전자공학, 광전자공학 및 기타 분야에서 SiC 재료에 대한 수요가 증가함에 따라 SiC 단결정 성장 기술의 개발은 과학 기술 혁신의 핵심 영역이 될 것입니다. SiC 단결정 성장 장비의 핵심인 열장 설계는 앞으로도 계속해서 많은 관심과 심층적인 연구를 받을 것입니다. 향후 개발 방향에는 열장 구조 및 제어 시스템을 더욱 최적화하여 생산 효율성과 단결정 품질을 향상시키는 것이 포함됩니다. 장비의 안정성과 내구성을 향상시키기 위한 새로운 재료 및 가공 기술을 탐구합니다. 장비의 자동 제어 및 원격 모니터링을 달성하기 위해 지능형 기술을 통합합니다.