摘 要(yào): 針(zhēn)对(duì)基于(yú)物(wù)理(lǐ)气(qì)相輸運法(fǎ)的(de)碳化(huà)矽(SiC)單晶生(shēng)长(cháng)系(xì)統,考慮对(duì)流换热(rè)的(de)影響建立了傳热(rè)與(yǔ)傳質(zhì)數學(xué)模型,並(bìng)采用(yòng)數值模拟的(de)方(fāng)法(fǎ)研究了其(qí)生(shēng)长(cháng)系(xì)統內(nèi)的(de)温(wēn)度(dù)场與(yǔ)气(qì)相流场。研究表(biǎo)明(míng):坩埚內(nèi)温(wēn)度(dù)、温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)以(yǐ)及(jí)加热(rè)效率随線(xiàn)圈匝間(jiān)距與(yǔ)線(xiàn)圈直(zhí)徑的(de)增加而(ér)逐漸降低(dī)。旋轉(zhuǎn)坩埚可(kě)有效解(jiě)決因(yīn)線(xiàn)圈螺旋形狀而(ér)導致(zhì)的(de)温(wēn)度(dù)场不均勻性(xìng)。通(tòng)过(guò)不斷調整線(xiàn)圈與(yǔ)坩埚之(zhī)間(jiān)的(de)相对(duì)高(gāo)度(dù),可(kě)保證高(gāo)品質(zhì)晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)所(suǒ)需的(de)最(zuì)優温(wēn)度(dù)场环(huán)境。此(cǐ)外(wài),坩埚內(nèi)徑尺(chǐ)寸(cùn)的(de)增加,会(huì)加劇其(qí)內(nèi)部(bù)自(zì)然对(duì)流效應(yìng)。
碳化(huà)矽(SiC)具有禁带宽(kuān)度(dù)大(dà)、热(rè)導率高(gāo)、臨界擊穿電(diàn)场強(qiáng)度(dù)高(gāo)等出(chū)色(sè)的(de)物(wù)理(lǐ)和(hé)化(huà)學(xué)特(tè)性(xìng)[1],是(shì)制造光(guāng)電(diàn)子器件(jiàn)、大(dà)功率器件(jiàn)和(hé)高(gāo)温(wēn)電(diàn)子器件(jiàn)的(de)理(lǐ)想(xiǎng)材料,被(bèi)廣泛用(yòng)于(yú)白(bái)色(sè)照明(míng)、光(guāng)存儲、屏幕顯示、航天(tiān)航空(kōng)等領域[2-3]。如(rú)今,市(shì)场对(duì)基于(yú)SiC材料的(de)工業器件(jiàn)的(de)需求越来(lái)越多(duō),襯底的(de)生(shēng)长(cháng)技術(shù)、超精密抛光(guāng)技術(shù)等 更 是(shì) 現(xiàn) 代(dài) 裝(zhuāng) 備 制 造 業 發(fà) 展 的(de) 重(zhòng) 要(yào) 标(biāo) 志 之(zhī)一(yī)[4]。根(gēn)據(jù)中(zhōng)國(guó)宽(kuān)禁带功率半導體(tǐ)及(jí)其(qí)應(yìng)用(yòng)産業聯盟的(de)測算,大(dà)尺(chǐ)寸(cùn) SiC 晶圆(yuán)産品将逐漸取(qǔ)代(dài)小尺(chǐ)寸(cùn)産品,因(yīn)此(cǐ),对(duì)15.24cm(6inch)以(yǐ)上(shàng)的(de)大(dà)尺(chǐ)寸(cùn)碳化(huà)矽單晶进行生(shēng)长(cháng)研究十(shí)分(fēn)重(zhòng)要(yào)。目前(qián),工業上(shàng)主(zhǔ)要(yào)采用(yòng)物(wù)理(lǐ)气(qì)相輸運(PVT)法(fǎ)生(shēng)长(cháng) SiC 單晶,其(qí)生(shēng)长(cháng)过(guò)程包(bāo)含着質(zhì)量(liàng)傳遞、热(rè)量(liàng)傳遞、動(dòng)量(liàng)傳遞與(yǔ)化(huà)學(xué)反(fǎn)應(yìng),而(ér)爐內(nèi)的(de)温(wēn)度(dù)场分(fēn)布(bù)和(hé)物(wù)質(zhì)濃度(dù)很大(dà)程度(dù)上(shàng)決定(dìng)了SiC單晶的(de)生(shēng)长(cháng)質(zhì)量(liàng)與(yǔ)生(shēng)长(cháng)速度(dù)[5-7],因(yīn)此(cǐ)準确掌握生(shēng)长(cháng)腔中(zhōng)的(de)温(wēn)度(dù)分(fēn)布(bù)與(yǔ)气(qì)相輸運过(guò)程对(duì)于(yú)獲得高(gāo)品質(zhì)、大(dà)尺(chǐ)寸(cùn)的(de)SiC單晶非常關(guān)鍵,但受爐內(nèi)温(wēn)度(dù)过(guò)高(gāo)且(qiě)腔體(tǐ)密封(fēng)不能(néng)直(zhí)接觀察的(de)局(jú)限,一(yī)般采用(yòng)數值模拟的(de)方(fāng)式对(duì)其(qí)进行研究。目前(qián),國(guó)內(nèi)外(wài)很多(duō)學(xué)者对(duì) SiC 晶體(tǐ)的(de)生(shēng)长(cháng)过(guò)程进行了模拟研究。Lilov[8]对(duì) SiC 升(shēng)华过(guò)程中(zhōng)的(de)气(qì)相平衡过(guò)程进行了热(rè)力學(xué)分(fēn)析,确定(dìng)了生(shēng)长(cháng)腔內(nèi)的(de)气(qì)相組成(chéng)及(jí) SiC 粉料分(fēn)解(jiě)的(de)發(fà)展程度(dù)。Hofmann等[9]通(tòng)过(guò)數值模型模拟了SiC晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)过(guò)程中(zhōng)的(de)化(huà)學(xué)反(fǎn)應(yìng)及(jí)傳热(rè)傳質(zhì)等現(xiàn)象,分(fēn)析了生(shēng)长(cháng)爐內(nèi)的(de)热(rè)傳遞現(xiàn)象。Bubner等[10]提(tí)出(chū)了一(yī)種(zhǒng) PVT 法(fǎ)生(shēng)长(cháng)單晶的(de)瞬态模型,研究了反(fǎn)應(yìng)器內(nèi)部(bù)幾(jǐ)何結構对(duì)温(wēn)度(dù)分(fēn)布(bù)演 變(biàn) 的(de) 影 響。Chen 等[11]提(tí) 出(chū) 了 基 于(yú) HertzKundsen方(fāng)程的(de)SiC生(shēng)长(cháng)動(dòng)力學(xué)模型,研究了單晶生(shēng)长(cháng)速率对(duì)温(wēn)度(dù)和(hé)惰性(xìng)气(qì)體(tǐ)壓力的(de)依賴性(xìng)。张(zhāng)群(qún)社等[12]研究了線(xiàn)圈匝數、粉料空(kōng)隙率对(duì)爐內(nèi)温(wēn)度(dù)环(huán)境的(de)影響,楊春振等[13]研究了生(shēng)长(cháng)爐內(nèi)的(de)輻射换热(rè)特(tè)性(xìng),結果(guǒ)表(biǎo)明(míng)輻射换热(rè)使生(shēng)长(cháng)室內(nèi)的(de)温(wēn)度(dù)分(fēn)布(bù)更为(wèi)均勻。但上(shàng)述研究主(zhǔ)要(yào)都是(shì)針(zhēn)对(duì)小尺(chǐ)寸(cùn)晶體(tǐ)的(de)生(shēng)长(cháng)过(guò)程,且(qiě)缺乏对(duì)坩埚內(nèi)部(bù)气(qì)相流场的(de)研究,随着晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)腔室尺(chǐ)寸(cùn)的(de)增加,“放(fàng)大(dà)效應(yìng)”不能(néng)被(bèi)忽略,因(yīn)此(cǐ)进一(yī)步地(dì)对(duì)大(dà)尺(chǐ)寸(cùn)晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)过(guò)程中(zhōng)的(de)傳热(rè)和(hé)傳質(zhì)現(xiàn)象进行分(fēn)析是(shì)十(shí)分(fēn)必要(yào)的(de)。本文(wén)利用(yòng)热(rè)力學(xué)第(dì)一(yī)定(dìng)律和(hé)納維斯托克(kè)斯方(fāng)程,搭建晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)腔內(nèi)的(de)傳热(rè)和(hé)傳質(zhì)數學(xué)模型;利用(yòng)Comsol软(ruǎn)件(jiàn)对(duì)SiC單晶生(shēng)长(cháng)腔內(nèi)的(de)温(wēn)度(dù)场和(hé)流场进行穩态仿真(zhēn),得到(dào)大(dà)尺(chǐ)寸(cùn)晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)腔內(nèi)的(de)温(wēn)度(dù)分(fēn)布(bù)和(hé)流场分(fēn)布(bù),同(tóng)时(shí)研究了線(xiàn)圈形狀及(jí)位(wèi)置对(duì)温(wēn)度(dù)场分(fēn)布(bù)的(de)影響,对(duì)比分(fēn)析了不同(tóng)體(tǐ)积腔體(tǐ)內(nèi)的(de)自(zì)然对(duì)流效應(yìng),为(wèi)生(shēng)长(cháng)更大(dà)尺(chǐ)寸(cùn)的(de) SiC 單晶提(tí)供了理(lǐ)論基礎。PVT 法(fǎ)生(shēng)长(cháng) SiC 單晶的(de)主(zhǔ)要(yào)裝(zhuāng)置結構如(rú)图(tú) 1所(suǒ)示,由(yóu)石(dàn)墨(mò)坩埚、SiC 粉料、固定(dìng)在(zài)坩埚頂部(bù)的(de)籽晶、保温(wēn)层(céng)和(hé)感應(yìng)線(xiàn)圈組成(chéng)。SiC 粉料在(zài)高(gāo)温(wēn)下(xià)分(fēn)解(jiě)成(chéng)Si,Si2C,SiC2 等气(qì)相,在(zài)擴散(sàn)和(hé)流场的(de)作(zuò)用(yòng)下(xià)輸運到(dào)坩埚頂部(bù)的(de)籽晶處(chù),結晶生(shēng)长(cháng)为(wèi) SiC 單晶。本文(wén)根(gēn)據(jù)該結構搭建幾(jǐ)何實(shí)體(tǐ)模型,其(qí)中(zhōng)各(gè)部(bù)件(jiàn)的(de)尺(chǐ)寸(cùn)參數如(rú)表(biǎo)1所(suǒ)示。
整个(gè)生(shēng)长(cháng)系(xì)統以(yǐ)通(tòng)过(guò)電(diàn)磁感應(yìng)産生(shēng)焦耳(ěr)热(rè)的(de)石(dàn)墨(mò)坩埚为(wèi)热(rè)源,对(duì)電(diàn)磁场进行分(fēn)析以(yǐ)獲得温(wēn)度(dù)场邊(biān)界条(tiáo)件(jiàn),根(gēn)據(jù)麥克(kè)斯韋(Maxwell)方(fāng)程組得到(dào)控制方(fāng)程:
(1)式中(zhōng),A0 为(wèi)磁矢勢,r,z 为(wèi)柱(zhù)坐标(biāo)參數,ω 为(wèi)角(jiǎo)速度(dù),J0 为(wèi)電(diàn)流密度(dù),μ0 为(wèi)空(kōng)間(jiān)的(de)磁導率,σc 为(wèi)線(xiàn)圈的(de)電(diàn)導率。整个(gè)生(shēng)长(cháng)系(xì)統內(nèi)的(de)热(rè)分(fēn)布(bù)由(yóu)感應(yìng)加热(rè)、热(rè)傳導、热(rè)对(duì)流、热(rè)輻射等共(gòng)同(tóng)決定(dìng),对(duì)系(xì)統內(nèi)部(bù)温(wēn)场應(yìng)用(yòng)能(néng)量(liàng)守恒定(dìng)律,可(kě)以(yǐ)得到(dào):
式中(zhōng)左(zuǒ)側为(wèi)系(xì)統單位(wèi)时(shí)間(jiān)的(de)內(nèi)能(néng)增量(liàng),右(yòu)側四(sì)項分(fēn)别是(shì)热(rè)傳導的(de)內(nèi)能(néng)增量(liàng)、感應(yìng)加热(rè)的(de)內(nèi)能(néng)增量(liàng)、热(rè)对(duì)流消耗的(de)能(néng)量(liàng)和(hé)热(rè)輻射損失的(de)能(néng)量(liàng),其(qí)中(zhōng):
根(gēn)據(jù)Stefan-Boltzman定(dìng)律:
式中(zhōng),εeff 为(wèi)輻射系(xì)數,keff 为(wèi)热(rè)導率,Tf 为(wèi)环(huán)境温(wēn)度(dù)。在(zài)碳化(huà)矽單晶生(shēng)长(cháng)过(guò)程中(zhōng),气(qì)相从原料表(biǎo)面(miàn)到(dào)籽晶處(chù)的(de)輸運主(zhǔ)要(yào)受菲克(kè)擴散(sàn)、斯蒂芬流和(hé)自(zì)然对(duì)流影響。在(zài)之(zhī)前(qián)坩埚尺(chǐ)寸(cùn)較小的(de)情(qíng)況下(xià),自(zì)然对(duì)流的(de)影響可(kě)以(yǐ)忽略,但随着晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)尺(chǐ)寸(cùn)的(de)增大(dà),坩埚尺(chǐ)寸(cùn)也(yě)在(zài)不斷增大(dà),自(zì)然对(duì)流的(de)影響便不能(néng)被(bèi)忽略,于(yú)是(shì)采用(yòng) Boussinesq假設描述自(zì)然对(duì)流項。因(yīn)此(cǐ),生(shēng)长(cháng)系(xì)統內(nèi)的(de)流動(dòng)方(fāng)程为(wèi)
式中(zhōng),ρ为(wèi)混合气(qì)體(tǐ)的(de)密度(dù),μ 为(wèi)動(dòng)力粘度(dù),αp 是(shì)體(tǐ)积热(rè)膨脹系(xì)數,T0 为(wèi)环(huán)境温(wēn)度(dù),ci 为(wèi)物(wù)質(zhì)濃度(dù),Di为(wèi)擴散(sàn)系(xì)數,i=1,2,3分(fēn)别表(biǎo)示Si,Si2C和(hé)SiC2。将籽晶表(biǎo)面(miàn)、粉料表(biǎo)面(miàn)和(hé)坩埚壁(bì)面(miàn)的(de)邊(biān)界条(tiáo)件(jiàn)代(dài)入热(rè)场和(hé)流场的(de)瞬态方(fāng)程,通(tòng)过(guò)叠代(dài)計(jì)算便可(kě)得到(dào)生(shēng)长(cháng)系(xì)統內(nèi)精确的(de)温(wēn)度(dù)场與(yǔ)流场。2 仿真(zhēn)結果(guǒ)與(yǔ)分(fēn)析2.1 生(shēng)长(cháng)系(xì)統中(zhōng)的(de)温(wēn)场分(fēn)布(bù)SiC單晶生(shēng)长(cháng)系(xì)統一(yī)般采用(yòng)感應(yìng)線(xiàn)圈加热(rè)的(de)方(fāng)式,線(xiàn)圈中(zhōng)的(de)交變(biàn)電(diàn)流産生(shēng)磁场,在(zài)石(dàn)墨(mò)坩埚中(zhōng)感生(shēng)出(chū)感應(yìng)電(diàn)流,産生(shēng)的(de)焦耳(ěr)热(rè)作(zuò)为(wèi)整个(gè)生(shēng)长(cháng)系(xì)統的(de)热(rè)源[14]。因(yīn)此(cǐ),磁场的(de)大(dà)小與(yǔ)分(fēn)布(bù)影響着整个(gè)生(shēng)长(cháng)系(xì)統的(de)温(wēn)度(dù)场。图(tú)2是(shì)電(diàn)流为(wèi)100A、頻率为(wèi)8000Hz的(de)工況下(xià)生(shēng)长(cháng)系(xì)統的(de)磁场分(fēn)布(bù)图(tú),可(kě)以(yǐ)看出(chū),磁力線(xiàn)围繞線(xiàn)圈中(zhōng)心(xīn),遠(yuǎn)離線(xiàn)圈的(de)磁场強(qiáng)度(dù)逐漸減弱(ruò),但在(zài)石(dàn)墨(mò)坩埚壁(bì)處(chù)彙集,因(yīn)此(cǐ)電(diàn)磁感應(yìng)産生(shēng)的(de)热(rè)量(liàng)主(zhǔ)要(yào)分(fēn)布(bù)在(zài)坩埚壁(bì)上(shàng)。坩埚內(nèi)磁力線(xiàn)分(fēn)布(bù)比較稀疏,说(shuō)明(míng)電(diàn)磁感應(yìng)对(duì)坩埚內(nèi)部(bù)的(de)生(shēng)热(rè)率贡獻很小,其(qí)热(rè)量(liàng)主(zhǔ)要(yào)靠热(rè)傳導和(hé)热(rè)輻射獲得。图(tú)3为(wèi)生(shēng)长(cháng)系(xì)統中(zhōng)的(de)热(rè)産生(shēng)率分(fēn)布(bù)图(tú),主(zhǔ)要(yào)集中(zhōng)在(zài)坩埚的(de)外(wài)壁(bì)處(chù),並(bìng)且(qiě)由(yóu)外(wài)向(xiàng)內(nèi)坩埚的(de)热(rè)産生(shēng)率逐漸降低(dī)。图(tú)4为(wèi)石(dàn)墨(mò)坩埚中(zhōng)的(de)温(wēn)场分(fēn)布(bù)图(tú),从图(tú)中(zhōng)可(kě)以(yǐ)看出(chū)高(gāo)温(wēn)区處(chù)于(yú)坩埚的(de)中(zhōng)下(xià)部(bù)且(qiě)靠近(jìn)坩埚壁(bì)。晶體(tǐ)的(de)生(shēng)长(cháng)需要(yào)合适的(de)軸向(xiàng)温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù),軸向(xiàng)温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)提(tí)供了 SiC 粉料分(fēn)解(jiě)升(shēng)华後(hòu)的(de)气(qì)相向(xiàng)上(shàng)運輸的(de)驅動(dòng)力,也(yě)決定(dìng)了晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)的(de)速率,高(gāo)温(wēn)区过(guò)上(shàng)会(huì)導致(zhì)軸向(xiàng)温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)減小,影響SiC粉料的(de)升(shēng)华。图(tú)5为(wèi)籽晶表(biǎo)面(miàn)生(shēng)长(cháng)速率的(de)徑向(xiàng)分(fēn)布(bù)图(tú),由(yóu)于(yú)中(zhōng)心(xīn)位(wèi)置軸向(xiàng)温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)最(zuì)大(dà),所(suǒ)以(yǐ)該處(chù)的(de)生(shēng)长(cháng)速率最(zuì)高(gāo),沿徑向(xiàng)生(shēng)长(cháng)速率逐漸降低(dī),在(zài)坩埚壁(bì)處(chù)生(shēng)长(cháng)速率增加是(shì)因(yīn)为(wèi)出(chū)現(xiàn)了多(duō)晶生(shēng)长(cháng)[15]。
2.2 線(xiàn)圈形狀位(wèi)置对(duì)温(wēn)度(dù)场的(de)影響
保持(chí)其(qí)他(tā)尺(chǐ)寸(cùn)參數不變(biàn),分(fēn)别对(duì)不同(tóng)線(xiàn)圈直(zhí)徑、不同(tóng)線(xiàn)圈匝間(jiān)距、不同(tóng)線(xiàn)圈高(gāo)度(dù)的(de)晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)系(xì)統进行仿真(zhēn),得到(dào)生(shēng)长(cháng)腔內(nèi)籽晶中(zhōng)心(xīn)軸線(xiàn)處(chù)的(de)温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù),結果(guǒ)如(rú)表(biǎo)2~4所(suǒ)示。
从表(biǎo)2可(kě)以(yǐ)看出(chū),随着線(xiàn)圈之(zhī)間(jiān)匝間(jiān)距的(de)增加,生(shēng)长(cháng)腔內(nèi)温(wēn)度(dù)不斷降低(dī),温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)也(yě)逐漸減小,但温(wēn)度(dù)下(xià)降的(de)幅度(dù)随線(xiàn)圈匝間(jiān)距的(de)增加而(ér)減小。分(fēn)析認为(wèi),随着線(xiàn)圈匝間(jiān)距的(de)增加,電(diàn)感量(liàng)減小,導致(zhì)石(dàn)墨(mò)坩埚壁(bì)中(zhōng)感生(shēng)出(chū)的(de)感應(yìng)電(diàn)流減小,进而(ér)影響生(shēng)长(cháng)腔內(nèi)的(de)温(wēn)度(dù)高(gāo)低(dī)與(yǔ)温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)。从表(biǎo)3可(kě)以(yǐ)看出(chū),随着線(xiàn)圈直(zhí)徑的(de)增加,生(shēng)长(cháng)腔內(nèi)温(wēn)度(dù)和(hé)温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)不斷降低(dī)。線(xiàn)圈直(zhí)徑越大(dà),耦合間(jiān)隙也(yě)就(jiù)越宽(kuān),根(gēn)據(jù)图(tú)6可(kě)以(yǐ)看出(chū)坩埚處(chù)的(de)感生(shēng)磁场也(yě)在(zài)線(xiàn)性(xìng)地(dì)減弱(ruò)。随着耦合間(jiān)隙的(de)增大(dà),系(xì)統的(de)加热(rè)效率也(yě)会(huì)逐漸降低(dī),如(rú)图(tú)7所(suǒ)示,当線(xiàn)圈直(zhí)徑为(wèi)380mm 时(shí),系(xì)統的(de)加热(rè)效率最(zuì)高(gāo),随着線(xiàn)圈直(zhí)徑增加,系(xì)統的(de)升(shēng)温(wēn)速率也(yě)越来(lái)越慢。以(yǐ)保温(wēn)层(céng)底作(zuò)为(wèi)參考平面(miàn)改變(biàn)線(xiàn)圈位(wèi)置,每次移動(dòng)10mm 得到(dào)不同(tóng)情(qíng)況下(xià)生(shēng)长(cháng)腔內(nèi)的(de)温(wēn)度(dù)數據(jù)。从表(biǎo)4可(kě)以(yǐ)看出(chū),随着線(xiàn)圈高(gāo)度(dù)的(de)增加,生(shēng)长(cháng)腔內(nèi)的(de)温(wēn)度(dù)也(yě)在(zài)增加,温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)雖(suī)然有變(biàn)化(huà),但是(shì)變(biàn)化(huà)幅度(dù)較小。随着晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)的(de)进行,其(qí)生(shēng)长(cháng)面(miàn)不斷下(xià)移,如(rú)果(guǒ)温(wēn)度(dù)场保持(chí)不變(biàn),生(shēng)长(cháng)面(miàn)上(shàng)的(de)温(wēn)度(dù)会(huì)越来(lái)越高(gāo),徑向(xiàng)温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)也(yě)会(huì)增加,超出(chū)一(yī)定(dìng)限度(dù)後(hòu)很可(kě)能(néng)会(huì)引起(qǐ)碳化(huà)矽單晶向(xiàng)多(duō)晶型轉(zhuǎn)變(biàn),同(tóng)时(shí)诱發(fà)晶體(tǐ)斷裂等缺陷。图(tú)8给出(chū)了坩埚軸線(xiàn)處(chù)温(wēn)度(dù)最(zuì)高(gāo)點(diǎn)位(wèi)置與(yǔ)線(xiàn)圈位(wèi)置的(de)分(fēn)布(bù)關(guān)系(xì)图(tú),从图(tú)中(zhōng)可(kě)以(yǐ)看出(chū),随着線(xiàn)圈高(gāo)度(dù)的(de)增加,坩埚軸線(xiàn)處(chù)最(zuì)高(gāo)温(wēn)的(de)位(wèi)置也(yě)在(zài)近(jìn)似線(xiàn)性(xìng)地(dì)增加,而(ér)粉源表(biǎo)面(miàn)與(yǔ)籽晶表(biǎo)面(miàn)間(jiān)地(dì)温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)逐漸減小,这(zhè)樣(yàng)会(huì)影響SiC粉料的(de)升(shēng)华,进而(ér)影響晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)速率,因(yīn)此(cǐ)在(zài)實(shí)際生(shēng)産中(zhōng)要(yào)合适地(dì)設置線(xiàn)圈的(de)高(gāo)度(dù),且(qiě)可(kě)以(yǐ)通(tòng)过(guò)不斷調整坩埚或線(xiàn)圈的(de)位(wèi)置来(lái)調整生(shēng)长(cháng)爐內(nèi)温(wēn)度(dù)场的(de)分(fēn)布(bù),为(wèi)生(shēng)长(cháng)高(gāo)品質(zhì)、大(dà)尺(chǐ)寸(cùn)碳化(huà)矽單晶創造条(tiáo)件(jiàn)。
在(zài)實(shí)際的(de)晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)系(xì)統中(zhōng),線(xiàn)圈采用(yòng)螺旋形狀的(de)纏繞方(fāng)式,会(huì)造成(chéng)生(shēng)长(cháng)爐內(nèi)温(wēn)度(dù)场分(fēn)布(bù)不均勻的(de)情(qíng)況。图(tú)9(a)为(wèi)坩埚不轉(zhuǎn)时(shí)籽晶表(biǎo)面(miàn)的(de)温(wēn)度(dù)分(fēn)布(bù)图(tú),从中(zhōng)可(kě)以(yǐ)看到(dào)温(wēn)度(dù)分(fēn)布(bù)相对(duì)于(yú)坩埚中(zhōng)心(xīn)是(shì)不均勻的(de),等温(wēn)線(xiàn)向(xiàng)一(yī)側偏移。图(tú)10为(wèi)籽晶x 軸上(shàng)的(de)徑向(xiàng)温(wēn)度(dù)分(fēn)布(bù),从中(zhōng)可(kě)以(yǐ)看出(chū)邊(biān)緣两(liǎng)點(diǎn)間(jiān)的(de)温(wēn)度(dù)差为(wèi)2℃左(zuǒ)右(yòu),随着線(xiàn)圈匝間(jiān)距的(de)增大(dà),两(liǎng)點(diǎn)間(jiān)的(de)温(wēn)差也(yě)会(huì)變(biàn)得更大(dà)。温(wēn)度(dù)分(fēn)布(bù)的(de)不均勻性(xìng)会(huì)造成(chéng)晶體(tǐ)热(rè)應(yìng)力發(fà)生(shēng)中(zhōng)心(xīn)偏移,进而(ér)産生(shēng)微管(guǎn)、位(wèi)錯等缺陷[16]。
图(tú)9(b)为(wèi)在(zài)加热(rè)过(guò)程中(zhōng),坩埚按一(yī)定(dìng)速度(dù)不斷旋轉(zhuǎn)後(hòu)的(de)籽晶表(biǎo)面(miàn)温(wēn)度(dù)分(fēn)布(bù)图(tú),从中(zhōng)可(kě)以(yǐ)看出(chū)温(wēn)度(dù)分(fēn)布(bù)的(de)不对(duì)稱性(xìng)得到(dào)了极(jí)大(dà)改善,对(duì)減少(shǎo)晶體(tǐ)內(nèi)部(bù)缺陷具有很大(dà)幫助。2.3 生(shēng)长(cháng)系(xì)統內(nèi)中(zhōng)的(de)气(qì)相流场分(fēn)布(bù)自(zì)然对(duì)流对(duì)SiC單晶生(shēng)长(cháng)系(xì)統中(zhōng)傳質(zhì)的(de)影響可(kě)以(yǐ)用(yòng) Grashof来(lái)判斷,Grashof數(Gr 數)是(shì)流體(tǐ)浮力與(yǔ)粘性(xìng)力之(zhī)間(jiān)的(de)比值,其(qí)值越小,就(jiù)可(kě)以(yǐ)認为(wèi)在(zài)晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)过(guò)程中(zhōng),自(zì)然对(duì)流的(de)影響可(kě)忽略不計(jì)。Gr 數的(de)計(jì)算公(gōng)式如(rú)下(xià):
其(qí)中(zhōng),β 为(wèi)等壓膨脹系(xì)數,μ 为(wèi)動(dòng)力粘度(dù),D 为(wèi)坩埚內(nèi)徑。由(yóu)上(shàng)式易得,当坩埚內(nèi)徑較小时(shí),可(kě)以(yǐ)忽略自(zì)然对(duì)流对(duì)傳質(zhì)的(de)影響。但Gr 數與(yǔ)坩埚內(nèi)徑D 的(de)三(sān)次方(fāng)成(chéng)正(zhèng)比,对(duì)于(yú)大(dà)尺(chǐ)寸(cùn)的(de)生(shēng)长(cháng)系(xì)統,自(zì)然对(duì)流的(de)效應(yìng)就(jiù)会(huì)明(míng)顯增強(qiáng),需要(yào)对(duì)其(qí)进行考慮。
图(tú)11为(wèi)不同(tóng)體(tǐ)积的(de)生(shēng)长(cháng)腔中(zhōng)自(zì)然对(duì)流引發(fà)的(de)速度(dù)场,其(qí)中(zhōng)r 为(wèi)腔體(tǐ)的(de)半徑,h 为(wèi)腔體(tǐ)的(de)高(gāo)度(dù),該速度(dù)场在(zài)籽晶與(yǔ)粉源間(jiān)的(de)腔體(tǐ)內(nèi)形成(chéng)了一(yī)个(gè)对(duì)流渦,且(qiě)随着生(shēng)长(cháng)腔尺(chǐ)寸(cùn)的(de)增加,自(zì)然对(duì)流的(de)強(qiáng)度(dù)也(yě)在(zài)增加,速度(dù)值达到(dào)了2×10-3 m/s,对(duì)生(shēng)长(cháng)腔內(nèi)气(qì)相組 分(fēn)輸運的(de)影響不能(néng)被(bèi)忽略。图(tú)12为(wèi)考慮自(zì)然对(duì)流效應(yìng)後(hòu)坩埚內(nèi)的(de)气(qì)相輸運流场分(fēn)布(bù)图(tú),速度(dù)矢量(liàng)在(zài)区域內(nèi)分(fēn)布(bù)較为(wèi)均勻,速度(dù)在(zài)0.06m/s左(zuǒ)右(yòu)。在(zài)SiC粉源的(de)表(biǎo)面(miàn),外(wài)側区域的(de)流速稍高(gāo)于(yú)中(zhōng)心(xīn)区域,分(fēn)析認为(wèi)这(zhè)是(shì)因(yīn)为(wèi)感應(yìng)加热(rè)産生(shēng)的(de)温(wēn)度(dù)场在(zài)靠近(jìn)壁(bì)面(miàn)区域的(de)温(wēn)度(dù)較高(gāo),所(suǒ)以(yǐ)該處(chù)SiC粉料分(fēn)解(jiě)得較快,因(yīn)此(cǐ)由(yóu)粉料升(shēng)华而(ér)引起(qǐ)的(de)流速也(yě)比較大(dà)。
本文(wén)通(tòng)过(guò)數值模拟的(de)方(fāng)法(fǎ)对(duì)SiC晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)系(xì)統进行了温(wēn)度(dù)场和(hé)流场分(fēn)析,研究得出(chū):(1)SiC單晶生(shēng)长(cháng)系(xì)統中(zhōng)石(dàn)墨(mò)坩埚壁(bì)上(shàng)的(de)热(rè)産生(shēng)率最(zuì)高(gāo),是(shì)主(zhǔ)要(yào)热(rè)源。随着線(xiàn)圈匝間(jiān)距和(hé)線(xiàn)圈直(zhí)徑的(de)增加,坩埚內(nèi)温(wēn)度(dù)和(hé)温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)会(huì)逐漸減小,系(xì)統的(de)加热(rè)效率也(yě)会(huì)降低(dī)。(2)線(xiàn)圈的(de)螺旋形狀会(huì)導致(zhì)坩埚內(nèi)温(wēn)场的(de)不均勻性(xìng),旋轉(zhuǎn)坩埚可(kě)有效解(jiě)決这(zhè)一(yī)問(wèn)題(tí)。通(tòng)过(guò)不斷調整線(xiàn)圈與(yǔ)坩埚之(zhī)間(jiān)的(de)相对(duì)高(gāo)度(dù),可(kě)保證高(gāo)品質(zhì)晶體(tǐ)生(shēng)长(cháng)所(suǒ)需的(de)最(zuì)優温(wēn)度(dù)场环(huán)境。(3)对(duì)于(yú)不同(tóng)體(tǐ)积的(de)生(shēng)长(cháng)腔室,随着尺(chǐ)寸(cùn)的(de)增大(dà),自(zì)然对(duì)流的(de)效應(yìng)加劇,对(duì)坩埚內(nèi)气(qì)相輸運流场的(de)影響便不能(néng)被(bèi)忽略。綜上(shàng),在(zài)生(shēng)长(cháng)大(dà)尺(chǐ)寸(cùn)SiC單晶时(shí),适当地(dì)調整線(xiàn)圈匝間(jiān)距、耦合間(jiān)隙和(hé)線(xiàn)圈高(gāo)度(dù),可(kě)以(yǐ)改善籽晶表(biǎo)面(miàn)粉料表(biǎo)面(miàn)的(de)温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù),提(tí)高(gāo)晶體(tǐ)的(de)生(shēng)长(cháng)速率;通(tòng)过(guò)增設坩埚移動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構,能(néng)够優化(huà)系(xì)統內(nèi)的(de)温(wēn)场分(fēn)布(bù),減少(shǎo)晶體(tǐ)內(nèi)部(bù)缺陷的(de)産生(shēng)。聲 明(míng)：文(wén)章(zhāng)內(nèi)容来(lái)源于(yú)先(xiān)进半導體(tǐ)材料。僅作(zuò)分(fēn)享，不代(dài)表(biǎo)本号(hào)立场，如(rú)有侵權，請聯系(xì)小編删除，謝謝！
