Optimizarea designului câmpului termic pentru cuptorul epitaxial SiC (reactor CVD cu perete fierbinte)

Obiectivul principal este de a obține uniformitatea temperaturii suprafeței plachetei (≤±0,5–5℃) și stabilitatea câmpului de temperatură/curgere, îmbunătățind astfel uniformitatea grosimii stratului epitaxial (<3%), uniformitatea dopajului (<8%), reducerea densității defectelor și creșterea ratei de creștere (>60 μm/h).

Progresele recente în optimizarea procesului de epitaxie SiC s-au concentrat pe managementul termic, optimizarea multi-parametrică, simularea asistată de AI, reglarea fluxului de gaz și îmbunătățirea structurii reactorului. Aceste dezvoltări urmăresc să îmbunătățească uniformitatea stratului epitaxial, eficiența creșterii, controlul defectelor și scalabilitatea industrială a plăcilor mari.

Modelarea conductibilității termice a materialelor de izolare

O direcție importantă de cercetare este modelarea conductivității termice a pâslei fibroase din grafit utilizată în reactoarele de epitaxie. Au fost dezvoltate modele analitice avansate pentru a evalua conductivitatea termică aparentă, luând în considerare compoziția gazului, presiunea în cameră și temperatura de funcționare. În condiții de gaz purtător bogat în hidrogen, transferul de căldură în fază gazoasă devine mecanismul dominant de transfer de căldură. Studiile arată că reducerea presiunii în cameră de la 100 mbar la 1,5 mbar scade semnificativ puterea de încălzire necesară. Aceste modele permit, de asemenea, o predicție mai precisă a distribuției temperaturii în diferite regiuni ale reactoarelor, ajutând la prevenirea neuniformității depunerilor cauzate de variațiile de temperatură în afara zonei plachetei, chiar și atunci când temperatura substratului rămâne constantă.

Optimizarea parametrilor cu mai multe obiective folosind FEM și Machine Learning

O altă descoperire majoră combină modelarea cu elemente finite (FEM) cu algoritmi de învățare automată pentru optimizarea multi-obiectivă. Parametrii cheie ai procesului includ debitul total de gaz, temperatura de creștere, presiunea camerei, viteza de rotație a susceptorului și proiectarea distribuției gazului. Abordările de optimizare precum MOPSO, NSGA-II și modelele surogat SVM au fost adoptate pe scară largă. Rezultatele demonstrează că uniformitatea grosimii poate fi îmbunătățită cu aproximativ 30%, în timp ce optimizarea Pareto-front realizează simultan atât rate mari de creștere, cât și coeficient scăzut de variație. Ferestrele optime de proces se găsesc de obicei la temperaturi de creștere de 1450–1500°C, presiuni în cameră de 80–100 mbar, viteze de rotație a susceptorului peste 60 rpm și rapoarte asimetrice de intrare a gazului, cum ar fi 5:16:5.

Simulare multifizică tranzitorie combinată cu învățare automată

Studiile recente integrează, de asemenea, simulările CFD tranzitorii cu tehnici de învățare automată pentru a accelera optimizarea procesului. Modelele CFD cuplate termic-flux-chimic combinate cu rețelele neuronale ACO-BPNN sunt utilizate pentru a optimiza temperatura de depunere, debitul de gaz de intrare, viteza de rotație și presiunea camerei. Validarea experimentală arată un acord excelent între simulare și rezultatele practice, cu abateri de predicție de numai 4,03% pentru rata de creștere și 0,49% pentru uniformitate. Această abordare scurtează semnificativ ciclurile de dezvoltare și optimizare și este potrivită în special pentru reactoarele CVD orizontale cu perete fierbinte.

Optimizarea debitului de gaz și a câmpului de temperatură

Optimizarea fluxului de gaz și a distribuției câmpului termic rămâne critică pentru creșterea epitaxiei SiC de înaltă calitate. În condiții optimizate, inclusiv un debit de H₂ de 100 slm, un raport de divizare a fluxului de 20:60:20 (parte:centru:parte), raport C/Si de 0,95, temperatură de creștere de 1610°C și rotația susceptorului, cercetătorii au obținut un câmp de curgere paralel extrem de stabil și o distribuție uniformă a temperaturii. Gradientul de temperatură a suprafeței plachetei a fost redus la doar 19,3°C. În plus, uniformitatea dopajului cu azot a atins 3,35–4,85%, în timp ce defectele de cristal au fost reduse semnificativ la 28 de defecte totale, inclusiv doar 8 defecte triunghiulare și 6 dislocații ale planului bazal (BPD).

Iterarea și industrializarea structurii echipamentelor

Modernizările reactoarelor la scară industrială între 2023 și 2026 se concentrează în principal pe sistemele de injecție de gaz divizate vertical, încălzirea prin inducție multi-zonă, compatibilitatea atât cu configurații cu o singură napolitană, cât și cu două plachete pentru plachete de 6-12 inchi și reproiectarea componentelor din grafit cu întreținere preventivă automată (PM). Aceste îmbunătățiri structurale au permis proceselor de epitaxie SiC de 8 inchi și 12 inci să obțină o neuniformitate a grosimii sub 3% și variații de dopaj sub 8%. În plus, contaminarea cu particule a fost redusă cu aproximativ 50%, timpul de întreținere a fost scurtat cu 30% și variația temperaturii a fost controlată cu ±5°C în sistemele cu două plachete.

Trei concluzii cheie

1. Simularea + învățarea automată a devenit metoda principală pentru optimizarea câmpului termic: prin cuplarea câmpului termo-fluid-chimic prin CFD/FEM și combinându-l cu ACO-BPNN sau MOPSO/NSGA-II, parametrii optimi Pareto pot fi găsiți în câteva săptămâni (mai degrabă decât încercarea și eroarea tradițională), îmbunătățind semnificativ grosimea și reducerea uniformă a costurilor. Acesta este un instrument esențial pentru creșterea epitaxială la scară largă a SiC de 8-12 inci.

2. Influența fazei gazoase (presiunea/compoziția H₂) în interiorul izolației simțite asupra conductivității termice aparente nu poate fi ignorată: La temperaturi ridicate de H₂, transferul de căldură în fază gazoasă este dominant, iar modificările presiunii/debitului precursorului vor modifica distribuția generală a temperaturii din reactor. Cele mai recente modele analitice pot fi încorporate direct în CFD pentru a obține predicția precisă a puterii și controlul câmpului termic în buclă închisă, care este nucleul eficienței ridicate, economisirii energiei și uniformității în șemineele termice.

3. Trecerea la dimensiuni mai mari (8–12 inchi) necesită inovații structurale: echipamentele casnice au atins o temperatură a suprafeței plachetei ≤ ±0,5℃ și o diferență de temperatură a plăcilor duble ≤ 5℃ prin admisia de aer divizată vertical, controlul temperaturii în mai multe zone și optimizarea susceptorilor. Uniformitatea grosimii/dopajului a atins nivelul de lider internațional, susținând direct reducerea costurilor și dublarea capacității de producție. Hotwall orizontal + susceptor rotativ este încă curentul principal și nu există o controversă evidentă.

Semicorex oferă calitate înaltăcomponente în procesul epitaxial. Dacă aveți întrebări sau aveți nevoie de detalii suplimentare, vă rugăm să nu ezitați să ne contactați.

Numărul de telefon de contact +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com