行业。其宽带隙、高温稳定性和高导热性等特性将为SiC基功率器件带来一系列优势。近年来，随着模块应用于高端汽车，SiC衬底材料的应用前景再次受到广泛关注。SiC单晶采用物理气相传输（PVT）方法制备，6英寸投入市场，厚度约为10–30mm。相比之下，经过几十年的发展，现代产业的基石材料单晶硅（Si）已达到12英寸的尺寸。同时，其熔体的制备方法更容易制备出厚度更大的晶锭，最高可达1米以上，大大降低了单位面积的衬底成本。因此，目前的制备方法和晶体尺寸的限制导致SiC衬底的市场价格很高，严重限制了下业[5]的进一步应用。

　　因此，许多研究者对SiC晶体生长进行研究和开发工作。溶液法制备SiC晶体有着广阔的前景，但也面临着实际问题。例如，由于SiC的高熔点，添加助熔剂会导致夹杂物和位错，碳成分的连续供应仍未解决。对于PVT方法，增加晶体的厚度和尺寸是降低制备成本的关键，这也是研究人员的主要方向。然而，与溶液法不同的是，气相材料制备面临着许多困难，如无法直接观察、原料状态的巨大变化、加工过程中热场条件的恶化以及调节困难。因此，不容易同时增加厚度和保持高质量，并且在短时间内提升空间的潜力有限。SiC晶体生长具有扩径的自然习惯，因此在过去30年中，从最初的晶粒到厘米大小的单晶，晶体尺寸的扩大一直是其工业化的主要方向。与此同时，近年来，研究人员和工业界正在从5厘米、7.5厘米、10厘米和15厘米发展到20厘米。然而，晶体直径的扩大并不是通过几次迭代生长的简单扩展。

　　为了获得大尺寸SiC晶体生长的热场条件和控制方法，利用模拟工具对晶体生长的温度场进行了建模。在初始热场条件下，获得了适合于籽晶生长的温度。尽管如此，籽晶的径向温差仍达到93K。首先，通过引入新的籽晶腔设计，观察到径向温差约为10K和轴向温度梯度为12K/cm的热场条件。然后，分析了几个关键因素对籽晶界面温度和温度梯度分布的影响，包括感应线圈的频率和功率、原材料和线圈的高度以及线圈的直径，从中获得了更好的参数范围。基于优化的热场条件，进行了热场验证，成功制备了厚度为9.6mm的均匀多晶沉积。实验表明，优化方案的凸度比没有籽晶的原始方案小3.4mm，厚度分布的标准偏差从5.4降低到2.6。实验还验证了在本文的晶体生长实验条件下，单晶和多晶的生长速率是可比较的。这项工作为优化大尺寸晶体生长的热场提供了重要的参考，无论是在调节SiC籽晶沉积条件还是热场的设计理念方面。

　　感应电源提供晶体生长所需的能量具有效率高的优点。交流电形成交变磁场，在坩埚的侧壁中形成感应电流，该感应电流被用作热源以提供生长8英寸晶体所需的温度条件。先前的研究表明，接坦和微凸的温度分布和均匀的温度梯度对高质量晶体至关重要，尤其是当晶体尺寸扩展到6英寸及以上时。鉴于上述要求，重点研究了热场的温度分布，提取了设备和热场的主要结构和材料，其剖面如图1所示。不同的材料用不同的颜色标记。由于使用石英管代替水冷管作为炉壁，支撑热场的底部，因此大部分热量直接传递到环境中。相比之下，忽略了炉壁和支撑结构（图1a）。热场位于感应线圈的中心。在默认位置，线圈在热场中的中间位置比原材料表面低95mm。热区由绝热层、石墨坩埚和从外到内的内部结构、SiC籽晶、籽晶支撑体、气生长室和SiC原料从上到下组成（图1b）。气体压力设定为1000Pa。在顶部绝缘层的中心预留一个直径为6mm的测温孔。温度计（耐久性 1RH）由Fluke Process Instruments制造，其重复性为±0.3%满量程，系统精度为±0.5%Tmeas。模型的主要结构参数如表1所示，包括主要结构的直径和高度。

　　为了解决籽晶边缘和中心之间巨大温差的问题，设计了各种热场结构来比较和研究它们对籽晶温度分布的影响（图1c）。在初始方案A中，籽晶的上部是坩埚上盖或籽晶保持器作为阻隔层，而籽晶的侧面是支撑结构。方案B将籽晶腔的设计融入到结构中，因此在籽晶顶部有一个厚度为7mm的气生长室，直径范围从100mm到240mm。方案C将气生长室直接延伸到整个籽晶上方。除了顶部的气生长室外，方案D还在籽晶支架和坩埚内壁之间提供了一个小生长室，位于籽晶与顶部气生长室连接的一侧。在四种设计下，其他结构保持不变。

　　表2显示了主要材料的物理参数，包括石墨、毡、坩埚石墨、SiC材料和气体。为了简化计算，将模型中的气体设置为氩气。需要指出的是，导电SiC单晶的实际制备需要将5–20%的氮气与氩气混合，以提供材料所需的载流子。其中，材料的传热系数随温度呈非线性变化。在计算过程中，通过调整绝缘层的热导率，模拟和实验所需的功率是合适的。在建立模型时，电磁热的稳态计算是基于线圈的输入功率。宏观层面上的电磁分析问题在于在一定边界条件下求解麦克斯韦方程组。移动的电流形成一个交变磁场，产生感应电流和热量。电磁加热节点表示电磁损耗Qe（W/m3），作为模型传递部分的热源。它由以下公式给出：

　　Qrh是电阻损耗，Qml是磁损耗。在数千度的温度下，辐射传热是一个不可忽略的过程。我们引入了面对面辐射，并选择了半立方体方法。材料表面的发射率来自于材料本身物理参数的定义。

　　在网格生成过程中，将手动设置和优化网格。一般来说，六面体网格具有精度高、效率高的优点，而四面体网格更适合处理复杂结构。考虑到热场域的不同形状，采用了各种策略来确保更好的网格质量和计算速度。表3显示了网格的设置细节，图2显示了设置后的网格图。测温窗口、籽晶、坩埚侧壁和原料均采用六边形结构网格，其网格单元大小被设置为远小于其几何尺寸。根据评估，网格元素的质量平均达到0.9966。生成的网格的总质量高于0.9，表明网格设置很高。

　　由于研究主要集中在晶体生长界面的温度分布上，功率和温度的数据一致性是判断模拟数据与实际数据拟合程度的关键。一方面，隔热层直接影响热传递。另一方面，隔热材料批次的一致性不是很好。即使是细节的匹配和使用，也会导致实际物理参数偏离标称值。因此，主要通过调整隔热层的传热系数来进行与实验的拟合。基于初始热场方案，经过多次调整，在相同的感应功率下，模拟温度测量点的温度与测量值之间的差值在10K以内，接近所用温度计的精度。可以认为热场模拟符合要求。边界条件的详细信息如表4所示。默认情况下，感应线千赫，稍后将根据研究条件进行调整。

　　不同方案下坩埚的内部温度分布如图3所示。坩埚内部的温度分布特征相似，因为高低温区位于坩埚的下部和上部。高温区的温度达到2700 K，而低温区的温度不超过2450 K。原料的内部温度大多在2650 K和2750 K之间。由于SiC原料上方的空腔的传热效率很低，原料表面的温度在2600 K左右，与接近2400K的籽晶的温度形成约200K的温度差。经过计算，坩埚生长室内的温度梯度达到10–20 K/cm，籽晶温度在2400–2500 K左右，与公开报道接近。这表明，在基本的热场设计方案下获得的籽晶处的温度和梯度可以满足SiC单晶的生长要求。然而，由于顶部绝缘材料变化的影响，不同方案下籽晶处的温度分布差异很大。在方案A和方案B下，顶部温度测量孔的存在使籽晶温度显著降低。

　　径向温度梯度分布更好地说明了温度分布特征，更明显，如图4所示。方案A具有籽晶的最大径向温度梯度。籽晶的半径有20多条等温线K/cm。因此，籽晶的中心和边缘之间的温差很大，并且这种方案不适合均匀的单晶生长。与方案A相比，方案B具有较少的等温线和较小的径向温度梯度，表明顶部籽晶腔起到了积极作用。方案C和方案D下的径向温度梯度呈现出完全不同的特征。籽晶甚至整个生长室中的数值都低于2–4 K/cm。同时，支撑体与籽晶、支撑体与坩埚、坩埚侧壁和支撑体之间的界面处的温度梯度较大。与方案C相比，方案D在籽晶边缘保持较小的径向温度梯度，并且具有更好的径向温度斜率分布。

　　图4 腔生长室中的径向温度梯度。（A） 方案A；（B） 方案B；（C） 方案C；（D） 方案D。

　　籽晶、籽晶支架和籽晶界面的温度分布清楚地表明了四种方案之间的差异，如图5所示。相邻的等温线K的温度差设置的。由于籽晶腔的存在，方案C和D的等温线被极大地压缩到籽晶支架的顶部，具有更好的隔热效果并阻碍了热损失，而籽晶支架中只出现一条等温线a）。方案D的籽晶保持器内部的等温线比方案C的更靠近边缘，这意味着边缘温度降低，这受到籽晶保持器侧面的籽晶腔的影响。图5b显示了不同方案下籽晶的温度分布。四种方案下的籽晶表面平均温度分别为2415K、2425K、2493K和2488K，籽晶表面温差分别为93K、82K、16K和11K。与原方案相比，改进方案的径向温差减小了88%。与上述分析一致，籽晶腔的存在通过改变籽晶背面和侧面的传热，直接影响籽晶表面的温度分布，极大地提高了径向温度一致性。

　　图5： （a） 籽晶的温度分布（a）方案a；（B） 方案B；（C） 方案C；（D） 方案D；（b） 不同方案的籽晶表面温度。

　　由于趋肤效应，在感应加热的条件下，热量总是在加热体表面附近几mm的深度产生，然后传递到热场的内部。如图6所示，坩埚内的磁通模式分布主要集中在坩埚的侧壁，尤其是顶部和底部。随着加热频率的增加，坩埚表面的磁通量逐渐减少，平均值从6kHz时的0.0135T变化到16kHz时的0.009T。图6b显示了沿坩埚侧壁的磁通量曲线mm的高度对应于坩埚侧壁底部。由于线圈中心更靠近坩埚底部，坩埚底部的磁通量明显大于其他区域的磁通量，最大参数比最小参数高出约30%。磁通量的变化率决定了感应电流的大。