Optimalizácia návrhu tepelného poľa pre SiC epitaxnú pec (teplotenský CVD reaktor)

Hlavným cieľom je dosiahnuť rovnomernosť povrchovej teploty plátku (≤±0,5–5℃) a stabilitu teplotného/prietočného poľa, čím sa zlepší rovnomernosť hrúbky epitaxnej vrstvy (<3 %), dopingová rovnomernosť (<8 %), zníženie hustoty defektov a zvýšenie rýchlosti rastu (>60 μm/h).

Nedávne pokroky v optimalizácii procesov epitaxie SiC sa zamerali na tepelné riadenie, optimalizáciu viacerých parametrov, simuláciu s pomocou AI, reguláciu prietoku plynu a modernizáciu štruktúry reaktora. Cieľom tohto vývoja je zlepšiť rovnomernosť epitaxnej vrstvy, účinnosť rastu, kontrolu defektov a priemyselnú škálovateľnosť veľkých plátkov.

Modelovanie tepelnej vodivosti izolačných materiálov

Jedným z dôležitých smerov výskumu je modelovanie tepelnej vodivosti vláknitej grafitovej plsti používanej v epitaxných reaktoroch. Boli vyvinuté pokročilé analytické modely na vyhodnotenie zdanlivej tepelnej vodivosti pri zohľadnení zloženia plynu, tlaku v komore a prevádzkovej teploty. V podmienkach nosného plynu bohatého na vodík sa prenos tepla v plynnej fáze stáva dominantným mechanizmom prenosu tepla. Štúdie ukazujú, že zníženie tlaku v komore zo 100 mbar na 1,5 mbar výrazne znižuje požadovaný vykurovací výkon. Tieto modely tiež umožňujú presnejšiu predpoveď distribúcie teploty v rôznych oblastiach reaktora, čím pomáhajú predchádzať nerovnomernosti usadzovania spôsobenej zmenami teploty mimo oblasti plátku, aj keď teplota substrátu zostáva konštantná.

Viacúčelová optimalizácia parametrov pomocou MKP a strojového učenia

Ďalší významný prielom spája modelovanie konečných prvkov (FEM) s algoritmami strojového učenia na optimalizáciu s viacerými cieľmi. Medzi kľúčové parametre procesu patrí celkový prietok plynu, teplota rastu, tlak v komore, rýchlosť otáčania susceptora a návrh distribúcie plynu. Optimalizačné prístupy ako MOPSO, NSGA-II a SVM náhradné modely boli široko prijaté. Výsledky ukazujú, že rovnomernosť hrúbky sa môže zlepšiť približne o 30 %, zatiaľ čo optimalizácia Pareto-front dosahuje súčasne vysoké rýchlosti rastu aj nízky koeficient variácie. Optimálne procesné okná sa zvyčajne nachádzajú pri rastových teplotách 1 450 – 1 500 °C, tlakoch v komore 80 – 100 mbar, rýchlosti otáčania susceptora nad 60 ot./min. a asymetrických vstupných pomeroch plynu, napríklad 5:16:5.

Prechodná multifyzikálna simulácia v kombinácii so strojovým učením

Nedávne štúdie tiež integrujú prechodné simulácie CFD s technikami strojového učenia na urýchlenie optimalizácie procesov. CFD modely spojené s tepelným tokom a chemickou väzbou v kombinácii s neurónovými sieťami ACO-BPNN sa používajú na optimalizáciu teploty depozície, prietoku vstupného plynu, rýchlosti otáčania a tlaku v komore. Experimentálna validácia ukazuje vynikajúcu zhodu medzi simuláciou a praktickými výsledkami, s odchýlkami predikcie iba 4,03 % pre rýchlosť rastu a 0,49 % pre uniformitu. Tento prístup výrazne skracuje vývojové a optimalizačné cykly a je vhodný najmä pre horizontálne horúcostenné CVD reaktory.

Optimalizácia prietoku plynu a teplotného poľa

Optimalizácia toku plynu a distribúcie tepelného poľa zostáva rozhodujúca pre vysoko kvalitný rast epitaxie SiC. Za optimalizovaných podmienok, vrátane prietoku H₂ 100 slm, pomeru rozdelenia prietoku 20:60:20 (strana:stred:strana), pomeru C/Si 0,95, rastovej teploty 1610 °C a rotácie susceptora, výskumníci dosiahli vysoko stabilné pole paralelného prietoku a rovnomerné rozloženie teploty. Teplotný gradient povrchu plátku sa znížil len na 19,3 °C. Okrem toho rovnomernosť dopingu dusíka dosiahla 3,35–4,85 %, zatiaľ čo defekty kryštálov sa výrazne znížili na 28 celkových defektov, vrátane iba 8 trojuholníkových defektov a 6 dislokácií bazálnej roviny (BPD).

Iterácia štruktúry zariadenia a industrializácia

Modernizácie reaktorov v priemyselnom meradle v rokoch 2023 až 2026 sa zameriavajú najmä na vertikálne delené systémy vstrekovania plynu, viaczónový indukčný ohrev, kompatibilitu s konfiguráciami s jedným plátkom aj s dvojitým plátkom pre 6–12 palcové plátky a prepracovanie grafitových komponentov s automatizovanou preventívnou údržbou (PM). Tieto štrukturálne vylepšenia umožnili 8-palcovým a 12-palcovým SiC epitaxným procesom dosiahnuť nerovnomernosť hrúbky pod 3 % a variáciu dopingu pod 8 %. Okrem toho sa kontaminácia časticami znížila približne o 50 %, prestoje spojené s údržbou sa skrátili o 30 % a kolísanie teploty bolo kontrolované v rozmedzí ± 5 °C v systémoch s dvojitým plátkom.

Tri kľúčové závery

1. Simulácia + strojové učenie sa stalo hlavnou metódou optimalizácie tepelného poľa: Spojením termo-fluidno-chemického poľa cez CFD/FEM a jeho kombináciou s ACO-BPNN alebo MOPSO/NSGA-II možno nájsť optimálne Paretove parametre v priebehu týždňov (namiesto tradičného pokusu a omylu), čím sa výrazne zlepší jednotnosť hrúbky/dopingu o 30 % a znížia sa náklady viac ako Toto je nevyhnutný nástroj pre rozsiahly epitaxný rast 8–12-palcového SiC.

2. Vplyv plynnej fázy (tlak/zloženie H₂) vo vnútri izolačnej plsti na zdanlivú tepelnú vodivosť nemožno ignorovať: Pri vysokých teplotách H₂ je dominantný prenos tepla v plynnej fáze a zmeny tlaku/rýchlosti toku prekurzora zmenia celkové rozloženie teploty v reaktore. Najnovšie analytické modely možno priamo vložiť do CFD, aby sa dosiahla presná predikcia výkonu a riadenie tepelného poľa v uzavretej slučke, čo je jadrom vysokej účinnosti, úspory energie a rovnomernosti tepelných krbov.

3. Prechod na väčšie veľkosti (8–12 palcov) si vyžaduje štrukturálnu inováciu: Domáce zariadenie dosiahlo povrchovú teplotu plátku ≤ ±0,5℃ a teplotný rozdiel dvoch plátkov ≤ 5℃ prostredníctvom vertikálneho deleného prívodu vzduchu, viaczónovej regulácie teploty a optimalizácie susceptora. Rovnomernosť hrúbky/dopingu dosiahla medzinárodnú vedúcu úroveň, čo priamo podporuje znižovanie nákladov a zdvojnásobenie výrobnej kapacity. Horizontálna horúca stena + rotačný susceptor je stále hlavným prúdom a neexistujú žiadne zjavné kontroverzie.

Semicorex ponúka vysokú kvalituzložky v epitaxnom procese. Ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete ďalšie podrobnosti, neváhajte nás kontaktovať.

Kontaktné telefónne číslo +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com