PVT法SiC单晶生长传热分析

研究了PVT法生长SiC过程中的传热行为,以优化生长条件、获得高质量单晶.该研究是针对坩埚盖(籽晶粘附于坩埚盖上)和炉盖之间的传热行为进行的.研究认为,坩埚盖上部石墨毡开孔形状和大小对坩埚盖的径向温度场有很大影响.采用本文简化的模型可以估算坩埚在不同位置下、不同的石墨毡开孔形状和大小时坩埚盖和炉盖之间总的辐射热阻和传热量.对影响坩埚盖和炉盖之间传热的因素进行了讨论.另外,讨论了在生长过程中动态调整坩埚盖散热条件的可行性.     

多晶硅铸锭生长过程热应力与位错的数值模拟研究

通过对定向凝固多晶硅从凝固过程开始到冷却过程结束进行瞬态数值模拟,研究了多晶硅锭不同生长阶段的温场、热应力及位错密度的关系.模拟结果表明:在长晶及冷却过程中,位错因热应力的存在而发生运动和增殖,晶体内温度梯度是影响晶体位错密度的关键因素.高位错密度区域分布在硅锭顶部、中心部以及周边外缘.硅锭上表面由中心向外缘递减的高位错密度是由于杂质在固液界面前沿富集导致.其中最大位错密度约为2.4×104 cm-2,发生在硅锭中轴顶部;局部最大位错密度约为2.2×104 cm-2,发生在硅锭边缘底角.     

SiC晶体的PVT生长系统及测温盲孔对热场的影响

实验中研究了不同结构参数的测温盲孔对晶体生长面热场的影响,结果分析表明:径向温度梯度和轴向温度梯度与测温盲孔的深度和半径近似成正比关系,但测温盲孔尺寸变化对径向温度梯度和轴向温度梯度的影响效果不同;改变测温盲孔尺寸适于调节径向温度梯度;测温盲孔半径和深度的增加均可导致坩埚盖上SiC多晶生长速率提高.     

籽晶台形状对PVT法同质外延生长氮化铝单晶初始生长的影响

借助专业晶体生长模拟软件FEMAG和自主开发的对流、传质、过饱和度及生长速率预测等有限元模块研究了物理气相传输法(PVT)同质外延生长氮化铝(AlN)单晶工艺时的初始传热及传质过程,并分析了不同形状籽晶台对生长室内的温度场、流场、过饱和度及生长速率的影响。温度场模拟结果表明籽晶台侧部角度改变可影响籽晶表面轴向及径向温度梯度,流场及传质模拟表明籽晶台侧部角度变化对籽晶台周边的传质有巨大影响。传质及过饱和度模拟结果表明,当籽晶台侧部角度为130°时,籽晶表面温度梯度较小且可以完全抑制籽晶台侧部多晶沉积,有利于通过同质外延工艺生长出无寄生、无裂纹的高质量氮化铝单晶锭。     

单晶炉观察窗工作热应力模拟

以单晶炉壁热应力为研究对象,分析了单晶炉观察窗焊接接头冷却水泄漏机理,建立了三维稳态温度场和弹塑性应力场有限元模型,对十二种组合结构的观察窗进行了工作热应力模拟,比较了平面和椭圆型炉盖封头、长条形和方圆形观察窗焊缝的热应力状态,探讨了形状、单双面焊接和温度对热应力影响趋势.结果 表明,内外壁横截面均为正方形或矩形的两种窗形焊缝的热应力极值最大;增加副焊缝成为双面焊时,主焊缝的应力分布几乎没有变化,新增加的焊缝约束对其影响甚微;工作温度越高,焊缝的热应力越大.因而,宜选用圆形窗或者内壁带圆弧的长条窗,施加双面焊,避免窗体冷却水温超过规定值.这些措施成功解决了观察窗在样机试验时能正常工作,出厂使用时寿命短频繁漏水的问题.     

泡生法生长蓝宝石晶体中固液界面形状的数值模拟研究

在泡生法蓝宝石单晶生长中,固液界面形状对晶体生长质量影响极大.本文针对泡生法蓝宝石晶体生长进行数值模拟,研究了晶体半透明性、放肩角、底部钼屏保温层厚度、加热器侧部和底部功率分配比等对固液界面形状的影响.模拟结果发现:不考虑蓝宝石晶体的半透明性,则固液界面凹向熔体生长,反之则固液界面凸向熔体生长;放肩角增大、底部钼屏保温层增厚,都造成固液界面凸度减小;加热器侧部与底部的功率比增大,则固液界面凸度增大.实际的固液界面形状取决于多种参数的综合作用.     

SiC籽晶背面镀膜对生长晶体品质的影响

在SiC单晶生长过程中,与籽晶背面升华有关的热分解腔等缺陷的形成严重影响了生长晶体的品质.本文介绍一种可以有效防止籽晶背面升华的预处理方法,即在粘贴籽晶之前,用直流反应溅射法在籽晶背面镀一层均匀、致密的耐高温薄膜TiN.实验结果表明,用这种方法生长的晶体中未发现热分解腔和六方空洞,而且微管密度也有所降低.     

SiC籽晶表面状态对晶体质量的影响

为了研究表面状态对晶体质量的影响,本文分别采用腐蚀后抛光与未抛光的晶片作为籽晶,利用金相显微镜对所得晶体进行了显微观察,结果表明:经过腐蚀后抛光的籽晶生长出的晶体质量高于未抛光籽晶所得晶体;生长前端的位错尺寸以及数量小于未抛光籽晶,说明抛光去除了部分表面浅的缺陷腐蚀坑,同时减小深腐蚀坑的尺寸,使得籽晶生长表面的缺陷密度和尺寸大大降低,有助于减少后期生长的晶体中的缺陷密度,提高结晶质量.     

SiC微粉添加量对SiC耐磨材料结构和性能的影响

以紧密堆积的三级配SiC颗粒(粒径为325 μm、212 μm、80 μm,质量比为17∶7∶1)为基础配方,将Owt;、1wt;、2wt;、3wt;和4wt;且粒径为5μm的SiC微粉添加到SiC耐磨材料中,经1600℃保温3h烧制,研究了SiC微粉添加量对SiC耐磨材料结构和性能的影响.结果表明:SiC微粉可促进SiC耐磨材料的烧结致密化,并改善其力学性能,当其添加量为3wt;时,试样的综合性能较优,其体积密度和显气孔率分别为2.63 g/cm3和7.62;,硬度、抗折强度和磨损量分别为2458 HV、183 Mpa和0.26 g/min.SiC耐磨材料烧结性能和力学性能的提高可归因子SiC微粉充填在SiC颗粒间,缩短了扩散传质路径,且较小粒径的SiC微粉具有较大的表面能,烧结时易于晶粒重排,保证了烧结网络的连续性,增大了颗粒间的结合程度.     

蓝宝石单晶生长坩埚热应力分析

针对蓝宝石单晶生长过程中因热应力集中坩埚使用寿命短问题,基于ANSYS有限元分析,对晶体熔化过程中的坩埚进行瞬态传热分析,在此基础上进行不同情况下热-结构耦合分析,计算得出晶体完全熔化后坩埚的热应力分布情况.分析显示:最大热应力存在于坩埚与托盘结合处;在满足晶体生长条件下,减缓升温速度,减小温度梯度,增大托杆中间空隙,改变托盘托杆材料等方法可以减小热应力.     

碳化硅单晶生长用高纯碳化硅粉体的研究进展

碳化硅(SiC)以其宽带隙、高临界击穿场强、高热导率、高载流子饱和迁移率等优点,被认为是目前较具发展前景的半导体材料之一.近年来,物理气相传输(PVT)法在制备大尺寸、高质量SiC单晶衬底方面取得了重大突破,进一步推动了SiC在高压、高频、高温电子器件领域的应用.SiC粉体是PVT法生长SiC单晶的原料,其纯度会直接影...     

SiC晶体PVT生长系统的流体力学模型及其有限元分析

本文根据SiC晶体PVT生长炉的实际提出了生长系统温度场计算的流体力学模型,采用有限元法分析了生长腔内的热传导、辐射和对流对生长腔内和生长晶体中温度空间分布的影响.通过对生长腔内及生长晶体中温度瞬态和稳态分布的分析,得出在加热的初始阶段腔内气体对流对坩埚内的温度分布有较大影响,在系统热平衡后辐射对腔内温度分布起决定作用的结论.     

SiC单晶生长热力学和动力学的研究

升华法生长大直径碳化硅(SiC)单晶一直是近年来国内外研究的重点,本文对Si-C系中的Si,Si2,Si3,C,C2,C3,C4,C5,SiC,Si2C,SiC2等气相物种的热力学平衡过程进行了研究,发现SiC生长体系中的主要物种为Si,Si2C,SiC2.生长初期Si的分压较高,从而SiC生长为富硅生长模式.对外加气体进行研究发现,氩气为最好的外加气体,它既可以有效地抑制Si物质流传输,又可以减缓扩散系数随温度升高而递减的趋势.建立了简单一维传输模型,对三个主要物种的动力学输运过程进行了研究,计算得到了两个温度梯度下的主要物种的物质流密度.     

碲锌镉垂直布里奇曼法晶体生长过程固液界面的演化

计算模拟了半导体材料碲锌镉垂直布里奇曼法单晶体生长过程,以等温线图展示了固液界面形状的演化,分析了温度梯度和坩埚移动速率对固液界面形状以及晶体内组分偏析的影响.计算结果表明在凝固的初始段,固液界面的凹陷深度较大,随后有较大幅度的减小.整个凝固过程中固液界面的凹陷深度值有一定的波动性.提高温度梯度、降低坩埚移动速率均能有效地减小固液界面的凹陷,改善晶体的径向组分偏析.     

PVT法生长4H-SiC晶体及多型夹杂缺陷研究进展

作为第三代半导体材料的典型代表,碳化硅因具备宽的带隙、高的热导率、高的击穿电场以及大的电子迁移速率等性能优势,被认为是制作高温、高频、高功率以及高压器件的理想材料之一,可有效突破传统硅基功率半导体器件的物理极限,并被誉为带动“新能源革命”的绿色能源器件。作为制造功率器件的核心材料,碳化硅单晶衬底的生长是关键,尤其是单一4H-SiC晶型制备。各晶型体结构之间有着良好的结晶学相容性和接近的形成自由能,导致所生长的碳化硅晶体容易形成多型夹杂缺陷并严重影响器件性能。为此,本文首先概述了物理气相传输(PVT)法制备碳化硅晶体的基本原理、生长过程以及存在的问题,然后针对多型夹杂缺陷的产生给出了可能的诱导因素并对相关机理进行解释,进一步介绍了常见的碳化硅晶型结构鉴别方式,最后对碳化硅晶体研究作出展望。     

提拉法制备铜单晶研究

采用提拉法生长出大尺寸(111)铜单晶,晶体尺寸为ф(12～19)mm×85 mm.通过XRD、金相显微分析讨论了铜单晶的晶体结构与生长缺陷,并采用双臂电桥测定(111)铜单晶的电阻率.结果表明:晶体具有(111)取向、强度高,表明晶体取向良好;蚀坑呈典型三角锥形,位错密度在105～106 cm-2之间;在室温下,(111)铜单晶电阻率为1.289×10-8Ω·m.