碳化硅晶体检测

[color=#990000]摘要：本文针对目前PVT法SiC单晶生长过程中真空压力控制存在的问题，进行了详细的技术分析，提出了相应的解放方案。解决方案的核心方法是采用上游和下游同时控制方式来大幅提高全压力范围内的控制精度和稳定性，关键装置是低漏率和高响应速度的电动针阀、电动球阀和超高精度的工业用PID控制器。通过此解决方案可实现对相应进口产品的替代。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px]一、问题的提出[/size]碳化硅单晶材料，作为宽带隙半导体材料，具有优异的物理特性和电学性能，特别适合于制造高温、高频、大功率、抗辐射、短波长发光及光电集成器件，因此被广泛应用于航空、航天、雷达、通讯等领域。目前，碳化硅单晶的生长一般采用PVT法工艺。由于碳化硅单晶生长的最终目的是为了获取大尺寸、低缺陷的碳化硅单晶，随着碳化硅单晶的尺寸增大，对单晶炉内的真空压力控制要求极高，工艺气体的压力变化对SiC晶体的生长速度和晶体质量产生极大影响。图1所示为一典型SiC单晶生长工艺中压力、温度和工艺气体随时间的变化曲线。[align=center][color=#990000][img=01.碳化硅生长中随时间的压力、温度和气体变化过程,690,242]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209161032399187_2475_3221506_3.png!w690x242.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 PVT法碳化硅单晶生长过程中压力、温度和气体的随时间变化过程[/color][/align]从图1所示的工艺曲线可以看出，晶体生长炉内的压力控制是一个全真空度范围的精密变化过程，整个真空度变化范围横跨低真空和高真空（10-4Pa~105Pa），特别是在10-1Pa~105Pa的低真空范围内需要精密控制。目前在利用PVT法制备SiC单晶时，普遍还存在以下几方面问题。（1）普遍采用下游模式（调节出气速率）控制全过程的真空度变化，在0.1~1000Pa的较高真空区间控制精度极差，晶体生长容器内的压力波动大（约±10%）。（2）真空控制装置所采用的调节阀和PID控制器基本都采用MKS、VAT和CKD等公司的上游流量控制阀（Upstream Flow Control Valves）、下游排气节流阀（Downstream Exhaust Throttle Valves）及其配套的PID阀门控制器（PID Valve Controllers）。尽管为了降低成本目前已有多种集成了PID控制器的一体式结构的下游排气节流阀，但整体造价还是较高。（3）真空压力国产化替代产品也在逐步兴起，但普遍还存在阀门漏率大、阀门调节响应时间长和不同量程真空计无法自动切换等问题，致使无法同时采用上游和下游控制模式实现全量程范围内的真空压力高精度控制。本文将针对上述PVT法SiC单晶生长过程真空压力控制存在的问题，进行详细的技术分析，并提出相应的解放方案。解决方案的核心是采用上游和下游同时控制方式来大幅度提高全压力范围内的控制精度和稳定性，并介绍相应的低漏率和高响应速度的真空用电动针阀、电动球阀和超高精度的工业用PID控制器，由此实现对相应进口产品的替代。[size=18px][color=#990000]二、碳化硅晶体生长的压力变成过程分析[/color][/size]图1所示为目前PVT法第三代碳化硅单晶生长过程中的压力、温度和气体流量变化曲线，其中红线表示了非常典型的真空压力变化过程。通过对真空压力各个阶段的变化过程进行分析，以期深入理解PVT法SiC单晶生长过程中对真空压力变化的要求。如图1所示，SiC单晶生长过程中真空压力的变化分为以下几个阶段：（1）高真空阶段：在高真空阶段，需要通过机械泵和分子泵在晶体生长容器内形成高真空（1×10-3Pa~1×10-5Pa），以清除容器和物料内的空气和水分。此高真空阶段要求气压需要以较慢的恒定速率进行降压，由此来避免碳化硅粉料形成扬尘。（2）预生长阶段：同理，在预生长阶段，随着工艺气体的充入和温度的逐渐升高，也要求容器内的气压按照恒定速率逐渐升至常压或微正压，此烘烤和气体置换进一步清除空气和水分。（3）生长阶段：在晶体生长阶段要求容器气压按照恒定速度逐渐降低到某一设定值（生长压力），并保持长时间恒定。不同的生长设备和工艺一般会采用不同的生长压力，专利“一种碳化硅晶体的破碎晶粒用于再生长碳化硅单晶的方法”CN114182357A中，生长压力为200~ 2000Pa；专利CN114214723A“一种准本征半绝缘碳化硅单晶的制备方法”中，生长压力为10000～80000Pa；专利CN215404653U“碳化硅单晶生长控制装置”中，生长压力控制在0.2~0.7Pa范围内；专利CN217231024U“一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统”中，生长压力范围为100~500Pa。由此可见，所涉及的生长压力是一个从0.2Pa至80kPa的宽泛区间。（4）冷却阶段：在冷却阶段，随着温度的逐渐降低，要求容器内的气压按照恒定速率逐渐升至常压或微正压。从上述单晶生长过程中气压变化的几个阶段可以看出，真空压力控制装置要达到以下主要技术指标，而这些也基本都是进口产品已经达到的技术指标。（1）漏率：小于1×10-7Pa.m3/s（2）控制精度和长期稳定性：在任意真空压力下，控制精度优于1%（甚至0.5%），长期稳定性优于1%（甚至0.1%）。（3）响应速度：小于1s。响应速度往往也决定了控制精度和长期稳定性，特别是在温度和流量的共同影响下，真空压力会产生快速波动，较快的响应速度是保证精密控制的关键。（4）连接不同量程真空计：可连接2只不同量程电容真空计以覆盖整个真空压力测量控制范围，并可根据相应真空度进行传感器的自动切换和控制。（5）可编程控制：可编程进行任意压力控制曲线的设置，并可存储多条控制曲线以便不同工艺控制的调用。（6）PID参数：可自整定，并可存储和调用多组PID参数。（7）上位机通讯：与上位机（如PLC和计算机）进行通讯，并具有标准通讯协议。[size=18px][color=#990000]三、高精度真空压力控制解决方案[/color][/size]从上述分析可以得知，不同的碳化硅晶体生长工艺所需的压力是一个从0.2Pa至80kPa的宽泛区间，目前国内外在晶体生长工艺压力过程中普遍都采用下游控制模式，即在真空泵和生长容器之间安装节流阀，通过恒定上游进气流量，通过节流阀调节下游排气流量来实现真空压力控制。对于大于1kPa的高气压区间，这种下游控制模式十分有效可实现压力精密控制，但对于低压区间（0.1Pa~1kPa），下游模式的控制效果极差，必须要采用调节进气流量和恒定下游抽气流量的上游控制模式。上游模式控制方法在碳化硅单晶生长工艺中应用的一个典型案例是专利 CN217231024U“一种碳化硅晶体生长炉的压力串级控制系统”，其中生长阶段的压力范围为100~500Pa，可将压力稳定控制在±0.3Pa。另外，上游控制模式已经广泛应用在真空控制领域，我们在以往的实际应用和验证试验中也都证实过上游模式可实现1kPa以下低气压的精确控制。综上所述，要实现0.2Pa至80kPa全范围内的真空压力精密控制，需要分别采用上游和下游模式。由此，我们提出了可同时实施上游和下游模式的真空压力高精度控制解决方案，这种上下游同时进行控制的真空压力控制系统结构如图2所示。[align=center][color=#990000][img=02.上下游双向真空压力控制系统结构示意图,550,375]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209161032552585_1956_3221506_3.png!w690x471.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 上下游双向真空压力控制系统结构示意图[/color][/align]在图2所示的解决方案中，采用了两只电容真空计来覆盖0.2Pa至80kPa的全真空量程，真空计的测量信号传送给PID控制器，由PID控制器分别驱动上游的电动针阀和下游的电动球阀，由此闭环控制回路实现全量程范围内的真空压力精密控制。真空压力的具体控制过程是：（1）当压力控制设定值位于大于1kPa的高气压范围时，PID控制器处于下游控制模式，PID控制器调节上游的电控针阀为恒定开度，并对下游的电控球阀进行PID自动调节，通过快速调整电控球阀的开度变化使生长容器内的压力测量值快速等于设定值。（2）当压力控制设定值位于小于1kPa的低气压范围时，PID控制器处于上游控制模式，PID控制器调节下游的电控球阀为恒定开度，并对上游的电控针阀进行PID自动调节，通过快速调整电控针阀的开度变化使生长容器内的压力测量值快速等于设定值。[size=18px][color=#990000]四、配套装置的国产化替代[/color][/size]本文提出的解决方案，在真空计、电控阀门和PID控制器满足技术指标要求的前提下，可实现高精度的真空压力控制，通过实际应用和考核试验都验证了控制精度可以达到真空计的最高精度，稳定性可以轻松达到设定值的±0.5%，甚至在大部分真空压力量程内稳定性可以达到设定值的±0.1%。在进行0.1Pa~100kPa范围内的真空度控制过程中，目前真空技术应用领域普遍采用是国外产品，比较典型的有INFICON、MKS、VAT和CKD等公司的薄膜电容真空计、上游流量控制阀、下游排气节流阀及其配套的PID阀门控制器。随着国产化技术的发展，除了薄膜电容真空计和高速低漏率电动蝶阀之外，其他真空压力控制系统的主要配套装置已经完全实现了国产化，低漏率和快速响应等关键技术的突破，使整体技术指标与国外产品近似，PID控制器与国外产品相比具有更高的测控精度，并且还具有国外产品暂时无法实现的双向模式控制功能，真空压力控制比国外产品具有更高的控制精度和稳定性。国产化替代的关键配套装置包括高速低漏率真空用电控针阀和电控球阀，以及多功能超高精度通用型PID控制器，如图3所示。[align=center][color=#990000][img=03.真空控制系统国产化替代装置,690,354]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209161033165839_1676_3221506_3.png!w690x354.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 国产化的电动针阀、电动球阀和高精度PID控制器[/color][/align]图3所示的国产化配套装置都达到了第2节中的技术指标要求，特别是高精度的工业用PID控制器更是具有优异性能，其中的24位模数转换、16位数模转换和双精度浮点运算的0.01%最小输出百分比是目前国内外工业用PID控制器的顶级指标，可实现压力、温度和流量等工艺参数的超高精度控制。[size=18px][color=#990000]五、总结[/color][/size]针对PVT法单晶生长工艺，本文提出的上下游双向控制解决方案可实现全量程范围内真空压力的快速和高精度控制，此解决方案已在众多真空技术领域内得到了应用，相应配套的电动针型阀和电动球形阀具有国外产品近似的技术指标，工业用超高精度PID控制器更是具有优异的性能。这些配套装置结合各种真空压力传感器和双向控制方法可实现真空压力的高精度控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：做为新一代半导体材料的3C、4H和6H碳化硅，其显著特点之一是具有比银和铜更高的热导率。热导率是评价这些高导热碳化硅晶圆的重要技术指标，而准确测试碳化硅晶圆热导率则需要对测试方法进行合理的选择。本文将针对高导热碳化硅晶圆，介绍目前常用的几种热导率测试方法，并做出分析，对热导率测试方法的选择给出参考意见。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]一、高导热碳化硅及其常用测试方法[/color][/size]做为新一代半导体材料的3C、4H和6H碳化硅，其显著特点之一是具有比银和铜更高的热导率，如依据日本东芝公司的报道[1]，一些典型半导体材料的物理性能如表1所示。[align=center][color=#990000]表1 一些典型半导体材料的物理性能[/color][/align][align=center][img=超高热导率测试,690,187]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201281920519981_532_3384_3.png!w690x187.jpg[/img][/align]随着电子科技技术的快速发展，对于高导热碳化硅的测试研究也得到了重视，大量文献报道了对高导热碳化硅热导率测试所进行的测试研究[2-10]，但不同工作之间存在着相互矛盾的测试结果，如4H-SiC的热导率是否高于6H-SiC就存在争议[3,6,7]。更重要的是，根据晶格结构可以判断出4H-和6H-SiC的热导率呈各向异性特征，但由于在测量精度上存在问题，使得之前有些测试研究通常会忽略这种差异[2,4,5]。文献[9]采用光热辐射法测量了6H-SiC的各向异性热导率，文献[10]基于飞秒激光的时域热反射法在250K~450K的温度范围内测量了4H和6H碳化硅的各向异性热导率。从上述文献报道可以看出，目前对于碳化硅高热导率的测试主要集中在激光闪光法、热反射法和稳态法这三类测试方法。本文将针对高导热碳化硅，特别是碳化硅晶圆，介绍目前常用的几种热导率测试方法，并做出分析，对热导率测试方法的选择给出参考意见。[size=18px][color=#990000]二、激光闪光法[/color][/size]闪光法（Flash Method）做为一种经典和广泛应用的热性能测试方法，非常适合1~400W/mK范围内热导率测试。但对于更高热导率材料的测试，特别是高导热碳化硅圆晶这类材料，采用闪光法测试会存在巨大误差， 这主要是由以下几方面因素所造成：（1）闪光法中加热样品前表面的光脉冲宽度一般为几十至几百微秒，在此脉冲宽度内要实现对400W/mK以上的高导热样品进行准确测量，需要样品厚度至少3mm以上，而且随着样品热导率增大，样品厚度也要相应变大。这种对样品厚度的要求是很多高导热材料无法满足的，如4H、6H-SiC圆晶厚度最大只有0.5mm。如若测量薄样品，则需将闪光脉宽缩短至几微秒量级，这往往是很多测试所忽略的造成测试误差的主要因素之一。（2）为了增加样品前表面吸收闪光加热的能量和提高样品背面测温的准确性，特别是对于一些透明或半透明样品，闪光法测试中通常会在样品的前后表面喷涂上石墨黑胶以提高发射率，同时阻挡加热光透过样品和避免背温测量出现误差。黑胶厚度一般约为0.05mm，但在具体使用过程中，喷涂黑胶要掌握一个原则，即相对于被测样品热阻，前后两面的黑胶热阻可以忽略不计，否则会形成三层样品结构，黑胶层会给测量结果带来严重影响，这在高导热且很薄的碳化硅和金刚石等材料测试中会非常明显，这也是闪光法无法应用在4H、6H-SiC圆晶热导率测试中的主要原因。（3）闪光法通常只能测量样品的热扩散率，还需进行比热容和密度的单独测量后，通过计算最终获得热导率。这些比热容和密度的测试，会给热导率结果带来相应的误差累积。[size=18px][color=#990000]三、热反射法[/color][/size]热反射法（Thermo-Reflectance）基于前述的闪光法，但采用了超高速周期脉冲激光，脉冲宽度为纳秒（ns）量级，甚至可达到皮秒（ps）量级，非常适合测量厚度低至10nm的薄膜样品（带或不带基片），可测量金属、陶瓷、聚合物薄膜的热物性参数，如热扩散率、吸热率和界面热阻。如图1所示，热反射法可应用于不同测量模式，以适应于不同的样品和基片情况（透明/不透明）。[align=center][color=#990000][img=超高热导率测试,690,331]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201281923345488_7962_3384_3.jpg!w690x331.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 热反射法基本原理[/color][/align]在热反射法背面测量模式中，主激光源表面背面加热样品，检测激光从上表面测量样品的温度变化过程，从而测得样品的热扩散率。这种模式与传统闪光法一样，并且适用于透明基片上的薄膜样品测量。在热反射法前表面测量模式中，主激光源从前表面加热样品，检测激光同样从前表面测量样品的温度变化过程。这是一种经典的前表面闪光法，并且适用于不透明基片上的薄膜样品测量。从上述热反射法原理和能力可以看出，在理论上热反射法可以进行薄的高导热材料测试，但缺点同样非常明显，到目前为止还未在工业中得到真正的推广应用，还仅停留在学术研究层面。（1）热反射法同样需要在被测样品上增加吸热层，由此会形成三层结构的测试模型，并且要求已知吸热层甚至基材的热物性参数，测试模型的简化和计算会给测量带来严重的系统误差。（2）缺乏测量准确性的评估，目前还未看到采用参考材料对热反射法进行的任何评估报道，这严重制约了热反射法的推广应用。（3）由于需要高速激光用来加热和探测，热反射法测试设备非常昂贵。[size=18px][color=#990000]四、热波法和稳态法[/color][/size]对于高导热材料的热导率测试，典型如热导率为1800~2000W/mK的金刚石材料，已经开展了几十年的研究，业内普遍认同的测试方法是经典的稳态法，并得到了广泛应用[11,12]。对于高导热碳化硅圆晶，稳态法是比较合适的测试方法，测试不会受到高热导率和透明等因素的影响，样品尺寸也没有大小的限制，对于直接无损测量整个圆晶更具有突出优势。这里将主要介绍一种基于稳态法发展起来的新型测试方法——热波法，稳态法只是热波法中的一种特例。热波法基本原理是样品在非稳态条件下（温度单调缓慢上升或下降），在样品热端施加周期方波热脉冲，如图2所示，通过测量加热功率、热脉冲宽度和温度响应来确定传热方向热导率。[align=center][color=#990000][img=超高热导率测试,690,326]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201281923516336_8129_3384_3.jpg!w690x326.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 热波法基本原理[/color][/align]热波法作为一种瞬态法，其主要特点如下：（1）测量装置结构与稳态法基本相同，但在测试过程中无需像稳态法那样达到热平衡状态，可在样品整体温度处于单调上升（或下降）的非平衡状态下进行测量，测试周期短。（2）当热脉冲宽度为无限长时间时，tanh函数将趋于等于1，则样品将达到稳态条件，测试将转变为稳态法，上述测量公式将变为稳态法公式。即稳态法是脉冲法的一种极限情况，由此在一套测量装置中可分别进行热波法和稳态法测量，其中的稳态法可用来考核和校准脉冲法。（3）在热波法测量装置中，可通过延长热波周期时间（或加热功率恒定），使热波法转换为稳态法进行测量，由此可覆盖宽泛的热导率测量，即采用热波法测量高热导率（10~3000W/mK），采用稳态法测量低热导率（0.1~10W/mK）。（4）大多数测试高导热小样品材料的瞬态法，如闪光法、温度波法（ISO 22007-3）和Angstroem法等，这些方法只能测量热扩散率，无法直接获得热导率。这里的热波法相当于一种量热测试技术的变形，可直接测量热导率，而且非常适合高导热小样品（薄带和细条等）和高导热块体材料测量，也可通过增加测温点和加热方式，来测量热扩散率和比热容。（5）热波法热导率测试，可以采用现有的各种热导率参考材料进行测量精度的考核和检验，有助于对测量结果有比较明确的了解。（6）使用热波法测试中需要特别注意的是热导率测试方向性，热波法测试方法的核心之一是在被测样品的传热方向上形成可准确测量的温差，所以热波法适合20mm以上长度的样品测试，非常适合薄膜材料面内方向上的热导率测量，但对于薄膜材料厚度方向上的热导率测试，热波法则无能为力。[size=18px][color=#990000]五、结论[/color][/size]通过上述对闪光法、热反射法和热波法的介绍和分析，可以得出以下结论：（1）对于3C、4H和6H碳化硅的高热导率测试，比较合适的方法是热波法或稳态法，但在具体使用中需要特别注意热导率的方向性。（2）对于透明透红外的高热导率薄样品，不建议采用常规的闪光法测试，表面黑胶或其他金属涂层会给测量结果带来严重影响。（3）热反射法作为一种高速超短脉冲闪光法，非常适合测试研究薄膜材料厚度方向上的热扩散率，但因增加了额外的表面吸热金属层，会造成测试模型非常复杂，测量准确性难以保证，但用来测试研究热导率的量级大小和各向异性特征则十分有效。总之，上述方法的选择只是针对碳化硅圆晶高热导率测试的建议，还可以采用其他方法，如经典的瞬态平面热源法（HOT DISK法），但这种方法目前只适合室温附近温度不高范围内的面内方向热导率测试，而且被测样品尺寸要求较大，一般需要100mm×100mm以上的大面积。对于瞬态平面热源法，实验验证过的能力是完全可以测试紫铜热导率（25℃时测试结果为393W/mK，样品尺寸为150mm×150mm×1.5mm）。[size=18px][color=#990000]六、参考文献[/color][/size][1] TOSHIBA, Comparison of SiC MOSFET and Si IGBT, SiC MOSFET Application Note, 2020.[2] Slack, G. A., Thermal Conductivity of Pure and Impure Silicon, Silicon Carbide, and Diamond. J. Appl. Phys. 1964, 35, 3460-3466.[3] Brethauer, J., Mapping the Thermal Conductivity of Sic/Sic Composites, Phd Thesis University of Illinois at Urbana-Champaign, 2017.[4] Wei, R. Song, S. Yang, K. Cui, Y. Peng, Y. Chen, X. Hu, X. Xu, X., Thermal Conductivity of 4h-Sic Single Crystals. J. Appl. Phys. 2013, 113, 053503.[5] Morelli, D. T. Heremans, J. P. Beetz, C. P. Yoo, W. S. Matsunami, H., Phonon‐Electron Scattering in Single Crystal Silicon Carbide. Appl. Phys. Lett. 1993, 63, 3143-3145.[6] Protik, N. H. Katre, A. Lindsay, L. Carrete, J. u. Mingo, N. Broido, D., Phonon Thermal Transport in 2h, 4h, and 6h Silicon Carbide from First Principles. Materials Today Physics 2017, 1, 31-38.[7] Morelli, D. T. Heremans, J. P. Beetz, C. P. Yoo, W. S. Harris, G. Taylor, C., Carrier Concentration Dependence of the Thermal Conductivity of Silicon Carbide. Institute of Physics Conference Series 1994, 137, 313-316.[8] Nilsson, O. Mehling, H. Horn, R. Fricke, J. Hofmann, R. M¨uller, S. G. Eckstein, R. Hofmann, D., Determination of the Thermal Diffusivity and Conductivity of Monocrystalline Silicon Carbide (300-2300K). High Temperatures . High Pressures 1997, 29, 73-79.[9] Burgemeister, E. A. von Muench, W. Pettenpaul, E., Thermal Conductivity and Electrical Properties of 6hsilicon Carbide. J. Appl. Phys. 1979, 50, 5790-5794.[10] Qian X, Jiang P, Yang R. Anisotropic thermal conductivity of 4H and 6H silicon carbide measured using time-domain thermoreflectance[J]. Materials Today Physics, 2017, 3: 70-75.[11] Inyushkin A V, Taldenkov A N, Chernodubov D A, et al. High thermal conductivity of bulk GaN single crystal: An accurate experimental determination[J]. Jetp Letters, 2020, 112(2): 106-111.[12] Inyushkin A V, Taldenkov A N, Ralchenko V G, et al. Isotope Effect in Thermal Conductivity of Polycrystalline CVD-Diamond: Experiment and Theory[J]. Crystals, 2021, 11(4): 322.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=center][/align][align=center][/align]

[color=#990000]摘要：本文针对新一代高导热半导体材料4H碳化硅晶片，介绍了采用瞬态平面热源法（HOT DISK法）进行室温导热系数测试的整个过程和结果。为了保证测量的准确性，采用同样是高导热材料并具有公认导热系数的紫铜和黄铜薄片对测试方法进行了考核验证，证明了高导热碳化硅晶片的导热系数最终测试结果具有较可靠的参考价值。[/color][size=18px][color=#990000]一、概述[/color][/size]做为新一代半导体材料的4H碳化硅晶片，其显著特点之一是具有比银和铜相近甚至更高的导热系数，因此准确测量导热系数是进行热管理、热设计和保证产品质量的重要前提。如何实现高导热薄片材料的导热系数准确测量，特别是针对高导热碳化硅这种厚度小于1mm且透明的晶片，这方面的研究和文献报道极少。本研究的目的是采用成熟且简单的测试方法和设备实现高导热材料工程级别的初步测量，以对4H碳化硅晶片导热系数能有基本的了解。针对高导热碳化硅晶片，我们尝试采用瞬态平面热源法（HOT DISK法）及其测试仪器对导热系数进行测试。为了考核验证测试结果的准确性，我们首先对具有已知公认导热系数数据的薄板状紫铜和黄铜进行测试，同时摸索相应的测试参数，然后再对高导热碳化硅晶片进行测试。以下内容将详细介绍整个试验过程。[size=18px][color=#990000]二、样品[/color][/size]整个试验过程采用了4H碳化硅晶片（直径6英寸，厚度0.512mm）、紫铜和黄铜正方形薄板（边长100mm，厚度1.5mm），如图1所示。[align=center][color=#990000][img=4H碳化硅,690,242]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202121534201870_6615_3384_3.png!w690x242.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 样品：左为4H碳化硅、中为紫铜、右为黄铜[/color][/align][size=18px][color=#990000]三、测试方法验证试验[/color][/size]首先采用如图1所示的紫铜和黄铜薄板样品进行室温下的导热系数测试，测试温度为22℃。紫铜和黄铜薄板为市场上购置的常用紫铜和黄铜材料，公认的导热系数分别为386.4W/mK和108.9W/mK。验证试验如图2所示。[align=center][color=#990000][img=4H碳化硅,690,194]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202121534515608_4873_3384_3.png!w690x194.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 紫铜和黄铜导热系数验证测试[/color][/align]经过三次重复性测量，得到的导热系数结果为：（1）紫铜导热系数为374.6W/mK，与上述公认值对比的相对误差为-3.1%。（2）黄铜导热系数为106.8W/mK，与上述公认值对比的相对误差为-1.9%。从测试结果可以看出，测量结果整体低于公认值，但相对误差较小，测试结果和测量精度完全可以接受，并由此可以确定出相应的测试参数。[size=18px][color=#990000]四、4H碳化硅晶片导热系数测试[/color][/size]经过上述验证试验，采用相同的测试参数对4H碳化硅晶片导热系数进行了测试，试验测试如图3所示。[align=center][color=#990000][img=4H碳化硅,690,561]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202121535033405_5843_3384_3.jpg!w690x561.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 4H碳化硅导热系数测试[/color][/align]经过三次重复性测量，得到的导热系数结果为：400.7W/mK。如果按照上述紫铜验证试验中得到的相对误差-3.1%进行推算，4H碳化硅晶片导热系数应该可以达到413.2W/mK。[size=18px][color=#990000]五、结论[/color][/size]通过上述试验测量得到了4H碳化硅晶片室温下的导热系数，但需要注意的是此测量采用了不一定精确的公认值进行验证，测量误差范围具体是多少并不清楚，只是误差不会太大，测量结果至少能给出一定的参考。同时，在采用瞬态平面热源法测试时，不同测试参数会得到完全不同结果，因此必须采用已知导热系数材料进行测试参数的选择和验证，并且已知导热系数范围能覆盖被测材料导热系数。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2008/07/200807052057_96698_1614349_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2008/07/200807052058_96699_1614349_3.jpg[/img]各位老师：最近接触HRTEM,想分析碳化硅晶粒界面及组成，照了些照片，但是不知道怎么分析，请教各位，先谢了。