大尺寸SiC單晶生長爐溫場分布的研究.pdf

1、SiC晶體作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的一個重要成員，有著非常出色的物理和電學特性，非常適合用于高頻、大功率、抗輻射、耐腐蝕、耐高溫等應(yīng)用場合，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。目前普遍采用PVT法進行SiC晶體的生長。由于PVT法SiC晶體生長是在一個全封閉的坩堝生長腔體中進行的，其生長溫度超過2000℃，在這樣的高溫條件下，無法對SiC晶體生長的過程進行實時的直接觀測。采用通過“嘗試錯誤”的方法來不斷摸索晶體生長規(guī)律、積累晶體生長經(jīng)驗，會導(dǎo)致實

2、驗量巨大，且實驗耗時過長、成本也居高不下。因此，建立相應(yīng)的SiC晶體生長模型，應(yīng)用現(xiàn)代計算模擬技術(shù)開展數(shù)值仿真實驗，用來指導(dǎo)PVT法SiC晶體的生長，成為了不可或缺的技術(shù)手段。
　　對于PVT法SiC晶體生長來說，最值得關(guān)注的兩個參數(shù)無疑是溫度和溫度梯度，它們對爐內(nèi)SiC分解升華的氣相成分的密度和輸運方向起著關(guān)鍵作用，也影響著晶體的生長形貌和生長速率的大小。因此，溫場的分布影響著SiC晶體的高質(zhì)量生長。
　　本文簡要介紹了S

3、iC晶體的特性、應(yīng)用領(lǐng)域以及生長方法，簡要介紹了SiC晶體的國內(nèi)外發(fā)展以及研究現(xiàn)狀，給出了SiC單晶生長爐溫場分布的相關(guān)理論知識。本文的研究工作如下所述:
　　1、運用有限元分析軟件對6英寸SiC單晶生長爐的半切面進行建模，并將幾何模型離散成為有限元模型，設(shè)定了適當?shù)倪吔鐥l件。
　　2、研究了電流對系統(tǒng)產(chǎn)熱分布和產(chǎn)熱速率的影響，發(fā)現(xiàn)增大電流強度可以在不影響設(shè)備中各部位相對產(chǎn)熱分布的基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)的生熱速率;而增加電流頻率則會

4、同時影響各部位產(chǎn)熱分布和產(chǎn)熱速率，而且也要考慮到電流頻率增加帶來的隔熱材料產(chǎn)熱增大的能量浪費問題。
　　3、仿真分析了生長爐在恒定電流加熱模式下系統(tǒng)內(nèi)的升溫過程，發(fā)現(xiàn)恒定的180A、10kHz電流適用于本設(shè)備，能夠產(chǎn)生滿足晶體生長要求的溫度場，仿真給出了生長爐各部位升溫曲線。同時仿真得到了在該電流模式下生長爐的軸向溫度梯度和徑向溫度梯度，分別為7℃/cm和2℃/cm，符合預(yù)期。
　　4、研究了線圈與石墨坩堝的相對位置對生長爐

5、內(nèi)溫場分布的影響，發(fā)現(xiàn)線圈位置的改變會影響生長爐中溫場的分布，但對生長腔能達到的最高溫度沒有影響。研究給出了線圈與石墨坩堝相對位置對溫場分布的關(guān)系曲線。
　　5、設(shè)計了一個用于調(diào)整生長爐內(nèi)溫場分布的感應(yīng)加熱線圈升降的高可靠控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶設(shè)定的運行速度和距離運行，精確地控制線圈的升降;同時，設(shè)計了UI界面用以實時交互顯示當前升降狀態(tài);通過光電耦合隔離和限位檢測電路的設(shè)計，保證了系統(tǒng)運行的可靠性;測試表明該控制系統(tǒng)能表現(xiàn)