SIC晶体生长系统关键技术研究

论文摘要

随着微电子技术的发展,传统基于Si和GaAs半导体材料器件由于本身结构和特性,在高温、高频、光电等方面越来越显示出其不足和局限性。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,成为制作高温、高频、大功率、抗辐照、短波长发光及光电集成器件的理想材料,在微电子、光电子等领域起到了独特的作用,成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点。但由于SIC制备难度大、成本高,市场上还没有较为成熟的晶体生长工艺装备,一般均为试验所用。本课题依据1955年提出的Lely法以及1978年前苏联Tairov和Tsvetkov等人提出的改良Lely法作为理论基础,通过借鉴以往设计硅单晶和蓝宝石晶体生长设备的多年经验,以80单晶硅炉体作为试验原型,进行改造设计出能满足SIC晶体生长所需的苛刻环境条件的生长设备。热场部分和温控部分是整个设备的核心。在热场设计过程中主要通过有限元分析软件,以APDL语言文件为脚本,通过参数化快速建模,快速达到模型的建立及修改,为后期分析比较工作节省了大量的人力和时间。对热系统的设计和热场分布问题进行优化仿真,获得以下主要试验结果：1.通过对碳化硅生长设备中石墨坩埚系统的径向传热模型分析讨论,建立了生长系统热分析的理论模型,提出了绝热层设计的理论依据,解决了坩埚组件热系统的设计问题。2.采用有限元分析方法对线圈匝数、电流强度、电流频率等对焦耳热产生速率的影响进行了详细的分析讨论；采用不同的热辐射分析策略,对不同坩埚形状、坩埚底部与线圈的相对位置等对热场分布的影响进行了数值分析,解决了感应加热碳化硅晶体生长系统热场设计的主要问题。在系统整体设计过程中,通过对机械、真空密封、电器控制等关键部分的优化设计,解决了真空室高温高真空密封、水循环冷却炉内坩埚温度的测量和控制以及多系统协同稳定控制等方面的技术难题,经过调试和晶体试样制备,达到了较为理想的工作状态,满足了SIC晶体生长的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 SIC晶体材料的发展及应用
• 1.2 SIC晶体材料制备
• 1.3 课题研究目的及意义
• 第二章 SIC晶体生长设备配置
• 2.1 SIC晶体生长设备的主要配置框图
• 2.2 炉体结构设计
• 2.3 保护气体气路设计
• 2.4 真空系统设计
• 2.4.1 密封件材质的选用
• 2.4.2 真空检测系统
• 2.5 传动系统
• 2.6 循环水冷系统
• 2.7 温控系统
• 2.7.1 加热线圈
• 2.7.2 加热电源
• 2.7.3 温度检测组件
• 2.8 本章小结
• 第三章 加热组件热场建模分析
• 3.1 传热方式
• 3.1.1 热传导
• 3.1.2 热对流
• 3.1.3 热辐射
• 3.2 传热模型
• 3.2.1 绝热层厚度设计
• 3.3 具有稳定表面输入功率的圆柱体温度分布
• 3.3.1 集肤效应
• 3.3.2 圆柱体径向导热模型
• 3.4 本章小结
• 第四章 感应加热磁热分析
• 4.1 Maxwell's方程及感应加热的数学模型
• 4.1.1 电磁加热理论
• 4.1.2 电磁场边界条件
• 4.2 电磁加热ANSYS有限元分析
• 4.2.1 感应加热模型建立与分析单元选取
• 4.2.2 快速建模参数的设定和材料属性设置
• 4.3 主要参数对磁场分布的影响
• 4.3.1 线圈匝数对加热系统影响
• 4.3.2 线圈形状对加热系统的影响
• 4.3.3 电流强度对加热系统的影响
• 4.3.4 电流频率对磁场的影响
• 4.3.5 磁场小结
• 4.4 热分析模型建立
• 4.4.1 热分析类型
• 4.4.2 热分析类型
• 4.5 主要参数对温度场的影响
• 4.5.1 加热线圈与坩埚相对位置对温度场分布影响
• 4.5.2 不同加热时间对温度场的影响
• 4.5.3 热场小结
• 第五章 系统硬件电路设计和软件设计
• 5.1 强电电路设计
• 5.2 弱电电路设计
• 5.2.1 伺服电机运动控制电路
• 5.2.2 工控机接口电路
• 5.3 系统软件设计
• 5.3.1 晶体生长流程分析
• 5.3.2 软件分析
• 第六章 课题总结与展望
• 6.1 课题总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文与参与项目