大尺寸SiC单晶生长炉温场分布的研究

摘要

SiC晶体作为第三代宽禁带半导体材料的一个重要成员，有着非常出色的物理和电学特性，非常适合用于高频、大功率、抗辐射、耐腐蚀、耐高温等应用场合，具有十分广阔的应用前景。目前普遍采用PVT法进行SiC晶体的生长。由于PVT法SiC晶体生长是在一个全封闭的坩埚生长腔体中进行的，其生长温度超过2000℃，在这样的高温条件下，无法对SiC晶体生长的过程进行实时的直接观测。采用通过“尝试错误”的方法来不断摸索晶体生长规律、积累晶体生长经验，会导致实验量巨大，且实验耗时过长、成本也居高不下。因此，建立相应的SiC晶体生长模型，应用现代计算模拟技术开展数值仿真实验，用来指导PVT法SiC晶体的生长，成为了不可或缺的技术手段。
　　对于PVT法SiC晶体生长来说，最值得关注的两个参数无疑是温度和温度梯度，它们对炉内SiC分解升华的气相成分的密度和输运方向起着关键作用，也影响着晶体的生长形貌和生长速率的大小。因此，温场的分布影响着SiC晶体的高质量生长。
　　本文简要介绍了SiC晶体的特性、应用领域以及生长方法，简要介绍了SiC晶体的国内外发展以及研究现状，给出了SiC单晶生长炉温场分布的相关理论知识。本文的研究工作如下所述:
　　1、运用有限元分析软件对6英寸SiC单晶生长炉的半切面进行建模，并将几何模型离散成为有限元模型，设定了适当的边界条件。
　　2、研究了电流对系统产热分布和产热速率的影响，发现增大电流强度可以在不影响设备中各部位相对产热分布的基础上提高系统的生热速率;而增加电流频率则会同时影响各部位产热分布和产热速率，而且也要考虑到电流频率增加带来的隔热材料产热增大的能量浪费问题。
　　3、仿真分析了生长炉在恒定电流加热模式下系统内的升温过程，发现恒定的180A、10kHz电流适用于本设备，能够产生满足晶体生长要求的温度场，仿真给出了生长炉各部位升温曲线。同时仿真得到了在该电流模式下生长炉的轴向温度梯度和径向温度梯度，分别为7℃/cm和2℃/cm，符合预期。
　　4、研究了线圈与石墨坩埚的相对位置对生长炉内温场分布的影响，发现线圈位置的改变会影响生长炉中温场的分布，但对生长腔能达到的最高温度没有影响。研究给出了线圈与石墨坩埚相对位置对温场分布的关系曲线。
　　5、设计了一个用于调整生长炉内温场分布的感应加热线圈升降的高可靠控制系统，该系统能够根据用户设定的运行速度和距离运行，精确地控制线圈的升降;同时，设计了UI界面用以实时交互显示当前升降状态;通过光电耦合隔离和限位检测电路的设计，保证了系统运行的可靠性;测试表明该控制系统能表现出良好的实时性与稳定性，运行误差较小，满足控制需要。

目录

声明

摘要

1．1．1 SiC晶体的特性

1．1．2 SiC材料的应用

1．1．3 SiC晶体的生长方法

1．2 国内外发展及研究现状

1．3 本论文的研究意义和章节安排

第二章 SiC单晶生长炉温场分布研究理论基础

2．1 SiC晶体生长

2．1．1 SiC晶体生长原理

2．1．2 SiC晶体生长方法

2．1．3 PVT法发展历程

2．2 感应加热

2．2．1 电磁感应

2．2．2 导体的加热

2．2．3 趋肤效应

2．2．4 电磁场计算

2．3 传热理论

2．3．1 热传导

2．3．2 热对流

2．3．3 热辐射

2．3．4 能量输运

2．4 有限元法

2．4．1 有限元法基本原理

2．4．2 有限元法的特点

2．4．3 有限元仿真分析流程

2．5 本章小结

第三章 大尺寸SiC单晶生长炉温场分布的仿真研究

3．1 大尺寸SiC单晶生长炉几何实体模型

3．1．1 几何实体模型的建立

3．1．2 有限元模型的材料参数

3．1．3 SiC单晶生长炉设计目标

3．2 几何实体模型网格的划分以及边界条件的确定

3．2．1 有限元模型的网格划分

3．2．2 边界条件的确定

3．3 电流对生长炉中磁场分布的影响

3．3．1 电流强度对磁场分布的影响

3．3．2 电流频率对磁场分布的影响

3．4 大尺寸SiC单晶生长炉加热过程

3．4．1 生长炉加热过程

3．4．2 关键位置温度变化

3．5 SiC单晶生长炉中的温度梯度

3．5．1 轴向温度梯度

3．5．2 径向温度梯度

3．6 线圈位置对生长炉中温度场的影响

3．7 本章小结

第四章 SiC单晶生长炉加热线圈升降控制系统设计

4．2．2 升降控制系统整体实现设计

4．3 系统各模块实现设计

4．3．1 主控模块设计

4．3．2 升降模块设计

4．3．3 显示屏模块设计

4．4 升降控制系统的可靠性设计

4．4．1 接口可靠性设计

4．4．2 限位检测电路可靠性设计

4．5 升降设备运行测试

4．6 本章小结

5．1 工作总结

5．2 未来展望

参考文献

致谢

攻读学位期间所获得的成果