Оптимізація конструкції теплового поля для SiC епітаксіальної печі (CVD реактор з гарячими стінками)

Основною метою є досягнення однорідності температури поверхні пластини (≤±0,5–5 ℃) і стабільності поля температури/потоку, тим самим покращуючи однорідність товщини епітаксійного шару (<3%), однорідність легування (<8%), зменшуючи щільність дефектів і збільшуючи швидкість росту (>60 мкм/год).

Останні досягнення в оптимізації процесу епітаксії SiC зосереджені на керуванні температурою, багатопараметричній оптимізації, моделюванні за допомогою штучного інтелекту, регулюванні потоку газу та модернізації структури реактора. Ці розробки спрямовані на покращення рівномірності епітаксійного шару, ефективності росту, контролю дефектів і промислового масштабування великих пластин.

Моделювання теплопровідності ізоляційних матеріалів

Одним з важливих напрямків досліджень є моделювання теплопровідності волокнистого графітового повсті, що використовується в епітаксійних реакторах. Було розроблено вдосконалені аналітичні моделі для оцінки уявної теплопровідності з урахуванням складу газу, тиску в камері та робочої температури. В умовах газу-носія, багатого на водень, передача тепла в газовій фазі стає домінуючим механізмом передачі тепла. Дослідження показують, що зниження тиску в камері зі 100 мбар до 1,5 мбар значно зменшує необхідну потужність нагріву. Ці моделі також дозволяють точніше прогнозувати розподіл температури в різних областях реактора, допомагаючи запобігти нерівномірності осадження, спричиненій коливаннями температури поза зоною пластини, навіть якщо температура підкладки залишається постійною.

Багатоцільова оптимізація параметрів за допомогою конечних елементів і машинного навчання

Інший великий прорив поєднує моделювання кінцевих елементів (FEM) з алгоритмами машинного навчання для багатоцільової оптимізації. Ключові параметри процесу включають загальну швидкість потоку газу, температуру росту, тиск у камері, швидкість обертання токоприймача та конструкцію розподілу газу. Підходи до оптимізації, такі як сурогатні моделі MOPSO, NSGA-II і SVM, отримали широке поширення. Результати демонструють, що рівномірність товщини можна покращити приблизно на 30%, тоді як оптимізація за Парето-фронтом забезпечує одночасно високі темпи зростання та низький коефіцієнт варіації. Оптимальні технологічні вікна зазвичай знаходяться при температурах росту 1450–1500°C, тиску в камері 80–100 мбар, швидкості обертання тяги понад 60 об/хв і асиметричних співвідношеннях входу газу, наприклад 5:16:5.

Мультифізичне моделювання перехідних процесів у поєднанні з машинним навчанням

Останні дослідження також об’єднують моделювання перехідних процесів CFD з методами машинного навчання для прискорення оптимізації процесу. Моделі CFD з тепловим потоком і хімічним зв’язком у поєднанні з нейронними мережами ACO-BPNN використовуються для оптимізації температури осадження, потоку газу на вході, швидкості обертання та тиску в камері. Експериментальна перевірка показує чудову узгодженість між моделюванням і практичними результатами, з прогнозованими відхиленнями лише 4,03% для швидкості зростання та 0,49% для однорідності. Цей підхід значно скорочує цикли розробки та оптимізації та особливо підходить для горизонтальних реакторів CVD з гарячими стінками.

Оптимізація потоку газу та температурного поля

Оптимізація потоку газу та розподілу теплового поля залишається критичною для високоякісного епітаксійного росту SiC. За оптимізованих умов, включаючи швидкість потоку H₂ 100 slm, коефіцієнт розподілу потоку 20:60:20 (бік:центр:бік), співвідношення C/Si 0,95, температуру зростання 1610°C і обертання суцептора, дослідники досягли високостабільного поля паралельного потоку та рівномірного розподілу температури. Градієнт температури поверхні пластини був знижений лише до 19,3°C. Крім того, однорідність легування азотом досягла 3,35–4,85%, тоді як кристалічні дефекти були значно зменшені до 28 загальних дефектів, включаючи лише 8 трикутних дефектів і 6 дислокацій у базальній площині (BPD).

Ітерація та індустріалізація структури обладнання

Модернізація реакторів промислового масштабу між 2023 і 2026 роками головним чином зосереджена на системах впорскування газу з вертикальним розділенням, багатозонному індукційному нагріванні, сумісності з конфігураціями з однією та подвійною пластиною для 6–12-дюймових пластин, а також модернізації графітових компонентів із автоматизованим профілактичним обслуговуванням (PM). Ці структурні вдосконалення дозволили 8-дюймовим і 12-дюймовим процесам епітаксії SiC досягти нерівномірності товщини нижче 3% і варіації легування нижче 8%. Крім того, забруднення частинками було зменшено приблизно на 50%, час простою на технічне обслуговування скорочено на 30%, а коливання температури контролюються в межах ±5°C у системах з двома пластинами.

Три ключові висновки

1. Моделювання + машинне навчання стало основним методом для оптимізації теплового поля: завдяки поєднанню термо-флюїдно-хімічного поля через CFD/FEM і поєднання його з ACO-BPNN або MOPSO/NSGA-II можна знайти оптимальні параметри Парето за кілька тижнів (замість традиційних методів проб і помилок), значно покращуючи однорідність товщини/легування більш ніж на 30% і зниження експериментальних витрат. Це важливий інструмент для великомасштабного епітаксійного вирощування 8–12-дюймового SiC.

2. Вплив газової фази (тиск H₂/склад) всередині ізоляційного повсті на видиму теплопровідність не можна ігнорувати: при високих температурах H₂ домінує теплопередача газової фази, а зміни тиску/швидкості потоку прекурсора змінять загальний розподіл температури в реакторі. Найновіші аналітичні моделі можна безпосередньо вбудовувати в CFD для досягнення точного прогнозування потужності та замкнутого контролю теплового поля, що є основою високої ефективності, енергозбереження та рівномірності теплових камінів.

3. Перехід до більших розмірів (8–12 дюймів) вимагає структурних інновацій: домашнє обладнання досягло температури поверхні пластини ≤ ±0,5 ℃ і різниці температур подвійної пластини ≤ 5 ℃ завдяки вертикальному розділеному повітрозабірнику, багатозональному контролю температури та оптимізації провідника. Однорідність товщини/легування досягла провідного міжнародного рівня, що безпосередньо сприяє зниженню витрат і подвоєнню виробничих потужностей. Горизонтальна гаряча стінка + обертовий токоприймач все ще є мейнстрімом, і тут немає очевидних суперечок.

Semicorex пропонує високу якістькомпоненти епітаксійного процесу. Якщо у вас є запитання або вам потрібна додаткова інформація, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами.

Контактний телефон +86-13567891907

Електронна адреса: sales@semicorex.com