PVT法生長SiC晶體的熱系統(tǒng)分析.pdf

1、SiC單晶材料具有許多優(yōu)良的物理特性，在高溫、高頻、大功率、抗輻射等方面極具應(yīng)用前景。但是目前，SiC電子器件走向?qū)嵱没倪M(jìn)展比較緩慢，主要障礙是生長的SiC晶體還不能滿足器件對其質(zhì)量和尺寸的要求，因此，如何制備大直徑、高質(zhì)量SiC單晶是一項(xiàng)十分迫切且具有明確應(yīng)用背景的研究課題。 就SiC晶體生長方法而言，PVT法(改進(jìn)了的Lely法)仍是當(dāng)前廣泛使用的生長SiC單晶的方法，但是，目前仍然存在很多技術(shù)問題沒有得到切實(shí)有效解決，主

2、要困難是坩堝內(nèi)的溫度無法精確測量，熱場難以精確控制。因此，欲準(zhǔn)確了解坩堝內(nèi)的溫度場以有效調(diào)控PVT法SiC晶體的生長，對其生長過程熱分布規(guī)律的研究就顯得尤為重要和迫切。通過對生長系統(tǒng)熱分布規(guī)律的系統(tǒng)研究，可以幫助我們更好地掌握坩堝內(nèi)溫度的分布特點(diǎn)，更好地了解晶體生長過程的物理實(shí)質(zhì)，以便更有效地改進(jìn)生長系統(tǒng)、優(yōu)化工藝參數(shù)、改善生長條件，對晶體生長起更有效地指導(dǎo)作用。 PVT法生長SiC晶體是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及多相、多組分

3、和多種傳熱模式。本文首先從熱力學(xué)以及生長動(dòng)力學(xué)的角度分析了溫度對各氣相組分平衡分壓以及對Si和C化學(xué)計(jì)量比的影響；分析了溫度以及溫度梯度對粉源石墨化的影響并給出了晶體生長速率與溫度及溫度梯度的解析關(guān)系式；其次，從傳熱學(xué)的角度，系統(tǒng)地研究了生長設(shè)備各組成部分所涉及的傳熱模式以及在能量傳輸過程中的具體作用；第三，將熱阻概念應(yīng)用于PVT法SiC晶體生長的傳熱分析中，推導(dǎo)了生長系統(tǒng)各組件換熱系數(shù)的解析關(guān)系式，建立了生長系統(tǒng)的熱阻分析模型，利用該

4、模型，可以方便快捷地計(jì)算出各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度；第四，開發(fā)了PVT法SiC晶體生長的有限元熱分析系統(tǒng)(PVT SiC HFES)，并從三個(gè)方面對數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合；第五，系統(tǒng)地研究了生長系統(tǒng)中感應(yīng)磁場、感應(yīng)電流、焦耳熱的分布特點(diǎn)以及熱場的瞬態(tài)規(guī)律，重點(diǎn)分析了電源功率、頻率、線圈的耦合間隙以及匝間距、坩堝壁厚、腔內(nèi)形狀以及坩堝與線圈的不同相對位置對晶體生長的影響；另外，對生長厚度以及籽晶的不同固定