SiC单晶生长设备加热系统设计及其仿真

摘要

随着半导体技术的发展，传统的第一代材料Si和第二代材料GaAs由于本身结构和特性的原因，在高温、高频、高功率等方面显示出其不足和局限性，一系列新型的半导体材料如SiC、GaN、金刚石等越来越引起人们的重视。
　　 其中SiC材料以其特有的大禁带宽度、高临界击穿场强、高电子迁移率、高热导率等特性，被看作是半导体领域最有前景的材料之一。碳化硅材料独特的物理性能决定了其在人造卫星、火箭、雷达、通讯、战斗机、喷气发动机等重要领域的应用。因此各发达国家都投入了大量的人力物力进行相关技术研究，各种相关产品逐渐得到开发。
　　 SiC单晶制备的研究已成为目前半导体材料领域的一个研究热点，并已取得了长足的进步，但距离大规模应用还存在一定的距离。在面临的技术难题中SiC单晶生长设备对SiC单晶的制备具有重要的影响，
　　 本论文依据SIC晶体生长工艺的要求，在多年研究工作的基础上根据PVT法晶体生长特点，设计了满足晶体生长所用的石墨坩埚结构、保温机构、感应线圈的结构以及达到生长温度所需感应加热电源。同时利用ANSYS多物理场耦合分析软件，对生长炉的三维实体模型进行合理简化，建立适合于模拟分析软件中分析运用的有限元模型，模拟出生长炉的加热系统。使用ANSYS中的电磁和热分析模块对影响晶体生长加热系统因素进行分析和讨论，获得了一些在实际应用和理论研究上有价值的研究结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 SiC的晶体结构

1．2 SiC晶体材料的特性、应用及现状分析

1．3 本论文的意义

第二章 SiC晶体生长工艺对设备的基本要求

2．1 SiC单晶体生长原理

2．2 SiC单晶体生长工艺

2．2．1 净化处理

2．2．2 粉料烧结

2．2．3 籽晶固定

2．2．4 晶体生长

2．3 设备主要技术规范

2．4 设备主要配置与功用

2．5 本章小结

第三章 加热系统的设计

3．1 加热系统的总体设计

3．2 感应加热的设计基础

3．2．1 感应电势

3．2．2 表面效应

3．2．3 临近效应

3．2．4 圆环效应

3．3 感应加热系统的设计

3．3．1 设计所需数据

3．3．2 发热体的外径计算

3．3．3 发热体壁厚与内径计算

3．3．4 感应器内径计算

3．3．5 保温材料和绝缘材料厚度计算

3．3．6 发热体与和感应器高度计算

3．3．7 感应电源功率计算

3．3．8 感应器线圈匝数计算

3．4 本章小结

第四章 加热系统的仿真

4．1 有限元法简介

4．2 感应加热中电磁场的有限元分析

4．3 电磁场在ANSYS软件中的计算方法

4．4 Ansys多物理场耦合分析

4．5 电磁分析模拟

4．5．1 有限元几何模型

4．5．2 定义求解域、施加载荷和边界条件

4．6 电磁场数值模拟结果分析

4．6．1 电流强度对电磁场分布的影响

4．6．2 电流频率对电磁场分布的影响

4．6．3 感应线圈间距对电磁场分布的影响

4．7 生长腔内温度场的有限元分析

4．7．1 热分析有限元模型的建立

4．7．2 石墨坩埚模型对生长腔内温度场的影响

4．7．3 石墨坩埚与线圈的相对位置对温度梯度的影响

4．7．4 优化后的生长腔对温度场的影响

4．8 本章小结

第五章 总结

5．1 实际使用结果

5．2 论文总结

5．3 主要创新点

5．4 对今后工作的设想

致谢

参考文献