PVT法生長(zhǎng)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(zhǎng)的SiC晶體還不能滿(mǎn)足器件對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)SiC單晶的方法，但是，目前仍然存在很多技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有得到切實(shí)有效解決，主

2、要困難是坩堝內(nèi)的溫度無(wú)法精確測(cè)量，熱場(chǎng)難以精確控制。因此，欲準(zhǔn)確了解坩堝內(nèi)的溫度場(chǎng)以有效調(diào)控PVT法SiC晶體的生長(zhǎng)，對(duì)其生長(zhǎng)過(guò)程熱分布規(guī)律的研究就顯得尤為重要和迫切。通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)程的物理實(shí)質(zhì)，以便更有效地改進(jìn)生長(zhǎng)系統(tǒng)、優(yōu)化工藝參數(shù)、改善生長(zhǎng)條件，對(duì)晶體生長(zhǎng)起更有效地指導(dǎo)作用。 PVT法生長(zhǎng)SiC晶體是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)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(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的角度分析了溫度對(duì)各氣相組分平衡分壓以及對(duì)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(duì)粉源石墨化的影響并給出了晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)設(shè)備各組成部分所涉及的傳熱模式以及在能量傳輸過(guò)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(zhǎng)的傳熱分析中，推導(dǎo)了生長(zhǎng)系統(tǒng)各組件換熱系數(shù)的解析關(guān)系式，建立了生長(zhǎng)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(kāi)發(fā)了PVT法SiC晶體生長(zhǎng)的有限元熱分析系統(tǒng)(PVT SiC HFES)，并從三個(gè)方面對(duì)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(zhǎng)系統(tǒng)中感應(yīng)磁場(chǎng)、感應(yīng)電流、焦耳熱的分布特點(diǎn)以及熱場(chǎng)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(duì)位置對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響；另外，對(duì)生長(zhǎng)厚度以及籽晶的不同固定