中国科学院上海硅酸盐研究所研发成功4英寸碳化硅单晶北大核心CSCD

中国科学院上海硅酸盐研究所立足自主研发,在掌握直径50．8mm（2英寸）、76．2mm（3英寸）碳化硅单晶生长技术之后,近日成功生长出直径100ram（4英寸）4H晶型碳化硅单晶。碳化硅单晶正朝着大尺寸的方向迅速发展。。     

大直径直拉硅单晶炉热场的改造及数值模拟

为了降低大直径硅单晶生长过程中氧的引入,对常规的406mm(16英寸)热场进行了改造.设计了以矮加热器为核心的复合式加热器系统,使晶体生长过程中熔体热对流减小.通过对热场的数值模拟计算,分析了热场的温度分布,发现熔体的纵向温度梯度下降,熔体热对流减小,硅单晶中氧含量降低.     

12英寸硅单晶生长过程中熔液面位置控制方法研究

集成电路用12英寸硅单晶生长过程中,为满足晶体生长界面附近温度梯度的要求,需要测量并控制晶体生长过程中硅熔体液面位置.传统的设定坩埚上升速度和激光测距的方法有时不能适应直拉硅单晶生长技术的发展.本文提出并实现了一种采用CCD图像捕捉和测量液面位置的方法,结合调节坩埚上升速度来控制液面高度,最终可以满足生长集成电路用12英寸硅单晶的需要.     

定拉速生长对φ300 mm直拉硅单晶生长影响分析

作为集成电路制备的衬底材料,对硅单晶的均匀性以及微缺陷的尺寸、密度要求极高.传统直拉法生长硅单晶过程中,通过拉速变化控制晶体直径,因此拉速始终处于波动状态.恒定拉速对晶体均匀性及缺陷密度、尺寸的影响研究较少.本研究实现了在35±0.7 mm/h的拉速范围内生长出直径300 mm硅单晶,对晶体片间和片内电阻率分布以及FPD缺陷分布进行了检测,结果显示,在更小拉速波动阶段,晶体的电阻率均匀性得到改善,FPD缺陷密度降低.     

ø300 mm直拉硅单晶生长过程中的变晶现象及其影响因素

直拉法生长直径300 mm硅单晶过程中,直径均匀是获得高品质硅单晶的关键。在生产实践中发现,当硅晶体进入等径生长阶段,过高的提拉速度会引起晶体发生扭晶现象,导致晶线断裂随即变晶,对等径生长不利。本文采用数值模拟和理论相结合的方法分析了ø300 mm硅单晶生长过程中扭晶现象的成因,建立了不同提拉速度下晶体直径与熔体温度分布的关系,分析了晶体发生扭晶的影响因素。结果表明,随着提拉速度的增加,熔体自由表面产生过冷区且该过冷区随提拉速度的增加不断扩大,过冷区的产生是导致晶体发生扭晶的主要原因。提出了一种基于有限元热场数值模拟的最大稳定提拉速度的判别方法,并给出了通过改变晶体旋转速度来改善熔体自由表面温度分布的工艺措施建议,从而避免晶体扭晶现象的发生。研究结果对设计大尺寸硅单晶生长热场具有一定的指导作用。     

大直径硅单晶生长过程中固/液界面形状及熔体流动的数值分析

数值模拟技术是提升大直径硅单晶质量、降低晶体制备成本的有效工具.利用切克劳斯基法生长硅单晶时,固/液界面的形变程度是衡量晶体质量的关键参数.由于单晶炉体内的高温环境导致对界面的直接观察极为困难,因此本文采用有限元法对生长16英寸直径硅单晶过程中,不同生长阶段的固/液界面形状及熔体流动情况进行计算.数值计算结果表明:在本文所用的热场及工艺参数条件下,随着晶体长度的不断增加,固/液界面的形变量增加同时晶体内部的热应力加大;通过对晶体提拉速率及晶体转速-坩埚转速的比值的调整,我们发现,降低晶体的提拉速率以及精确的控制转速比可以使晶体各个阶段都获得比较理想的界面形状.     

提拉法生长直径8inch Yb∶YAG激光晶体

设计制造了适于生长直径8 inch Yb∶YAG激光晶体的生长系统和热场,采用感应加热提拉法成功生长出了直径8英寸Yb∶YAG激光晶体,晶体等径部分最小直径202 mm,等径长超过215 mm,总重63.7 kg,晶体外形完整,内部无气泡、包裹物、开裂等宏观缺陷,5 mW绿光激光照射下,未见散射颗粒.     

苏州维特莱恩公司高品质6英寸电阻法碳化硅单晶研制成功

<正>碳化硅(SiC)具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高化学稳定性和抗辐射等突出的特性与优势,决定了其在高功率器件、高频器件、高光效发光器件等领域的应用极为广泛。碳化硅单晶在低压/高频、中电压和高压/高频多个领域具有完全替代硅材料的优势。受各种因素影响,国内碳化硅单晶品质和产     

区熔(FZ)硅单晶气相掺杂电阻率的理论计算

气相掺杂法因其简易灵活、生产周期短、成本较低的优点成为生产区熔硅单晶重要的辅助方法.本文根据区熔(FZ)硅单晶气相掺杂原理,结合单晶生长速度、单晶直径、气体流量、气体浓度、掺杂物的分凝、单晶对掺杂气体吸收率等一系列生长条件,进行理论计算并与实际生产相结合,进一步推算出掺杂量与电阻率关系的公式.通过该公式,可以更加准确控制气相掺杂硅单晶的电阻率,使理论计算与实际电阻率误差从20;降低到10;,从而降低生产成本.     

基于贝叶斯参数优化的无模型自适应硅单晶直径控制

直拉硅单晶的生长过程涉及多场多相耦合与复杂的物理化学变化,其中工艺参数的波动是导致晶体直径不均匀的重要原因,如何实现工艺参数的控制以获得理想的、均匀的晶体直径具有重要的研究意义。本文分析现有控制方法存在不稳定以及控制效果不佳的问题后,提出基于贝叶斯参数优化的无模型自适应控制模型来控制硅单晶生长过程中的晶体直径。首先以坩埚上升速度与加热器的功率作为控制输入参数,晶体直径作为输出,搭建无模型自适应控制模型,并分析算法的稳定性。其次将控制模型进行仿真实验,发现硅单晶直径控制模型中不同的超参数设定会影响控制过程的迭代次数以及控制效果。最后,利用贝叶斯优化超参数的取值范围,并进行最终的仿真实验,结果表明,经贝叶斯参数优化后的控制模型计算快、迭代次数少,输出的晶体直径稳定,同时将生长工艺参数控制在实际生产要求范围内。因此,基于贝叶斯参数优化的无模型自适应控制实现了硅单晶直径均匀稳定的有效控制,具有结合工程背景的实际应用前景。     

广州南砂晶圆半导体技术有限公司

碳化硅是宽禁带半导体材料的典型代表,具有禁带宽、临界击穿电场高、热导率高等优异的物理性质,是制造高功率、高温半导体器件的理想半导体材料,也是现阶段从单晶衬底、外延、器件和应用产业链条技术全面发展的第三代半导体材料。
广州南砂晶圆半导体技术有限公司(简称南砂晶圆)成立于2018年,位于广州市南沙区,是聚焦碳化硅产业上游,专注碳化硅单晶衬底材料的高技术企业,是山东大学教育部新一代半导体材料研究院的产业化基地。其碳化硅单晶制备技术来源于山东大学晶体材料国家重点实验室。南砂晶圆以山东大学研发的6英寸碳化硅单晶制备技术成果为基础,并同山东大学开展全方位产学研深度合作,共同研发和生产碳化硅衬底材料,坚持创新发展,不忘初心,树立“聚沙成晶、科技报国”的愿景。
南砂晶圆已经建成1.3万平方米研发厂房,拥有晶体生长炉和完整的相关衬底加工线,产品主要以6英寸半绝缘和N型SiC衬底为主,现年产各类碳化硅衬底晶片6万片。2020年二期扩产项目已经动工,总投资9亿元,总建筑面积达64 746 m²,扩产后规模达1 000台碳化硅晶体生长炉及相应衬底加工设备,成为国际领先的碳化硅晶体材料及相关产品供应商。
南砂晶圆公司管理和技术团队实力雄厚,由教授、博士、硕士等研发与管理人员组成。南砂晶圆董事长王垚浩博士是教授级高级工程师,长期任佛山市国星光电股份有限公司(002449.SZ)董事长、总经理、党委书记,有丰富的企业管理经验,2003—2016年,连续担任科技部半导体照明重大专项和863专项专家组专家。     

基于NARX动态神经网络直拉硅单晶直径预测模型

直拉法在制备硅单晶的过程中存在机理假设多、多场耦合下边界条件不明确和化学变化交错且相互影响等问题,导致无法建立准确的机理模型用于硅单晶生长过程控制。针对此问题,本文以单晶炉拉晶车间的大量晶体生长数据为基础,基于互信息理论提出的最大信息系数(MIC)算法,对与晶体直径相关的特征参数进行分析,然后基于带外源输入的非线性自回归(NARX)动态神经网络,建立多输入单输出的等径阶段晶体直径预测模型,并对三台单晶炉拉晶数据进行直径预测,预测的平均均方误差值为0.000 774。最后将NARX动态神经网络同反向传播(BP)神经网络进行对比分析,验证了该模型的优越性。结果表明,NARX动态神经网络为晶体直径的控制提供了一种更准确的辨识模型。     

声表面波用压电晶体的新进展

报道了我们在Li2B4O7、Sr3Ga2Ge4O14、LiNbO3、LiTaO3等声表面波用压电晶体材料方面的最新研究进展.采用改进型坩埚下降法成功生长了直径3～4英寸的Li2B4O7晶体,并实现了批量生产.作为硅酸镓镧系列新型压电晶体之一,Sr3Ga2Ge4O14晶体具有最大的压电系数.报道了直径2英寸Sr3Ga2Ge4O14晶体的生长结果,测试了该晶体的压电性能.在CO2(90;)、H2(10;)混合气氛中,分别在700℃和450℃下对LN和LT晶片进行化学还原处理,成功制备了3英寸LN和LT低静电黑片,不仅减少了器件制作工序,而且使成品率提高了5～8百分点.此外,在密封坩埚中生长了低静电LiNbO3晶体,观察到一些新的现象.     

物理气相传输法生长1英寸AlN单晶及其表征分析

本文采用物理气相传输法(PVT)及同质外延工艺,在自发生长的6 mm×7 mm AlN籽晶片上,通过4次迭代,成功生长出高质量1英寸AlN单晶锭.将生长出的单晶锭经过切片、研磨和抛光工艺加工成1英寸低表面粗糙度的单晶片,并采用拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、高分辨率X射线衍射仪、分光光度计对籽晶片与外延晶片进行结晶质量、位错密度以及紫外透光率等性能表征.结果 表明:外延晶片的拉曼E2(high)半高宽为2.86 cm-1,(002)面XRD摇摆曲线半高宽为241 arcsec,说明晶片具有很高的结晶质量;经过同质外延4次迭代后的晶片较初始籽晶片相比质量有所下降,说明生长过程中由于非平衡生长存在缺陷的增殖;外延晶片具有极其优异的紫外透光率,深紫外265～280 nm波段下的吸收系数低至19～21.5 cm-1.     

GdCOB晶体的坩埚下降法生长

本文报道了非线性光学晶体Ca4GdO(BO3)3(GdCOB)的垂直Bridgman法生长.已获得直径25mm的高质量单晶.生长界面处的纵向温度梯度维持在30～40℃/cm,生长速度0.2～0.8mm/h.GdCOB晶体为二维成核的层状生长机制,易出现(111)及(20)解理面.讨论了影响生长的因素.保证原料配比准确和混料充分,减小温度波动和测温误差等是成功生长GdCOB晶体的重要因素.     

热屏和后继加热器对生长φ300mm硅单晶热场影响的数值分析

本文采用有限体积元法软件CrysVUn对直拉法生长直径300mm硅单晶热场和热应力分布进行了模拟。后继加热器通过补充晶体径向的热散失,使得沿生长界面径向的由熔体向晶体的热输运实现平衡,使晶体生长界面更加平坦。随着热屏材料热辐射率的降低,晶体生长界面趋于平坦,生长界面上方热应力水平也随着热屏材料辐射率的减小而下降,使用内层高辐射率材料、外层低辐射率材料的复合式热屏结构进一步降低了晶体生长界面中心高度。     

铌酸锂单晶薄膜材料

铌酸锂晶体集电光、声光和非线性光学等物理特性于一身,且透光范围宽,作为一种重要的光学材料被广泛应用于通信、传感等领域。通过离子注入与直接键合的方式制备出的铌酸锂单晶薄膜材料,保留了铌酸锂体材料的优秀物理特性,并且具有高折射率对比度的优点,使光子器件在集成度和性能上都得到了很大程度的提升。本文介绍了铌酸锂薄膜的制备及应用,展示了直径6英寸(1英寸=2.54 cm)的铌酸锂单晶薄膜。将硅单晶薄膜覆盖在铌酸锂单晶薄膜上面,形成一种新型的复合薄膜材料,结合了铌酸锂出色的光学性能和硅出色的电学性能,本文报道了直径3英寸的复合薄膜材料,X射线证明硅薄膜是单晶结构,这种复合薄膜在未来的集成光电芯片中具有应用潜力。     

CaYO(BO3)3晶体坩埚下降法生长

本文首次报道了Ca4YO(BO3)3(YCOB)晶体的坩埚下降法生长.在1600～1650℃炉温下,固液界面处的纵向温度梯度为40～60℃/cm,以0.2～0.6mm/h的生长速率,在近封闭的Pt坩埚中生长出了直径达25mm、长度超过50mm的完整透明YCOB晶体.介绍了生长工艺和原料制备,观察发现晶体中的主要宏观缺陷是包裹体.分析了包裹体生成的原因.     

大尺寸氟化铽锂晶体生长与性能

氟化铽锂(LTF)晶体具有大的维尔德常数、低的吸收系数,是一种性能优良的磁光晶体材料,适合用作高功率、大能量激光系统用磁光器件的磁光材料。本文以高纯TbF₃和LiF为原料,采用电阻加热提拉法,在Ar气和CF₄混合气体保护下,成功生长出了直径达2英寸的大尺寸LTF晶体。该晶坯外观完整,具有良好的光学均匀性和较低的残留应力,He-Ne激光照射下无肉眼可见散射颗粒。该晶体还加工出了直径为10 mm的LTF晶体元件,测试其单程损耗系数、消光比、透过波前畸变和弱吸收系数等参数,结果表明生长的LTF晶体具有良好的光学质量,其维尔德常数约为市售商用TGG晶体的98%。     

1英寸Cs2LiLaBr6∶Ce闪烁晶体的生长及性能研究

Cs₂LiLaBr₆∶Ce(CLLB∶Ce)晶体n/γ双读出闪烁性能优异,其实用化瓶颈在于大尺寸、高光学质量晶体的生长。本研究采用非化学计量比配比,避开CLLB∶Ce非一致熔融组分区域,通过改进研制坩埚下降法晶体生长炉,并优化温度场和降低坩埚下降速度等晶体生长工艺,从而克服组分过冷,保持生长界面稳定,得到了直径1英寸(1英寸=2.54 cm)的CLLB∶Ce晶体毛坯,等径透明部分长度达40 mm,单晶比例由52%提高至79%,可见光区光学透过率达到70%以上。在¹³⁷Cs激发下能量分辨率达3.7%,在²⁵²Cf激发下晶体的品质因子达到1.42,可以很好地甄别中子和γ射线。