Optymalizacja projektu pola cieplnego dla pieca epitaksjalnego SiC (reaktor CVD z gorącymi ścianami)

Głównym celem jest osiągnięcie jednorodności temperatury powierzchni płytki (≤ ± 0,5–5 ℃) i stabilności pola temperatury/przepływu, poprawiając w ten sposób jednorodność grubości warstwy epitaksjalnej (<3%), jednorodność domieszkowania (<8%), zmniejszając gęstość defektów i zwiększając szybkość wzrostu (> 60 μm/h).

Ostatnie postępy w optymalizacji procesów epitaksji SiC skupiły się na zarządzaniu temperaturą, optymalizacji wieloparametrowej, symulacjach wspomaganych sztuczną inteligencją, regulacji przepływu gazu i ulepszeniach konstrukcji reaktora. Udoskonalenia te mają na celu poprawę jednorodności warstwy epitaksjalnej, wydajności wzrostu, kontroli defektów i skalowalności przemysłowej dużych płytek.

Modelowanie przewodności cieplnej materiałów izolacyjnych

Jednym z ważnych kierunków badań jest modelowanie przewodności cieplnej filcu grafitowego włóknistego stosowanego w reaktorach epitaksji. Opracowano zaawansowane modele analityczne w celu oceny pozornej przewodności cieplnej z uwzględnieniem składu gazu, ciśnienia w komorze i temperatury roboczej. W warunkach gazu nośnego bogatego w wodór dominującym mechanizmem wymiany ciepła staje się przenoszenie ciepła w fazie gazowej. Badania pokazują, że zmniejszenie ciśnienia w komorze ze 100 mbar do 1,5 mbar znacząco zmniejsza wymaganą moc grzewczą. Modele te umożliwiają również dokładniejsze przewidywanie rozkładu temperatury w różnych obszarach reaktora, pomagając zapobiegać nierównomierności osadzania spowodowanej zmianami temperatury poza obszarem płytki, nawet gdy temperatura podłoża pozostaje stała.

Wieloobiektowa optymalizacja parametrów z wykorzystaniem MES i uczenia maszynowego

Kolejnym ważnym przełomem jest połączenie modelowania elementów skończonych (FEM) z algorytmami uczenia maszynowego na potrzeby optymalizacji wielocelowej. Kluczowe parametry procesu obejmują całkowite natężenie przepływu gazu, temperaturę wzrostu, ciśnienie w komorze, prędkość obrotową susceptora i projekt dystrybucji gazu. Powszechnie przyjęto podejścia optymalizacyjne, takie jak modele zastępcze MOPSO, NSGA-II i SVM. Wyniki pokazują, że jednorodność grubości można poprawić o około 30%, podczas gdy optymalizacja frontu Pareto umożliwia jednoczesne osiągnięcie zarówno wysokiego tempa wzrostu, jak i niskiego współczynnika zmienności. Optymalne okna procesowe zwykle występują przy temperaturach wzrostu 1450–1500°C, ciśnieniu w komorze 80–100 mbar, prędkościach obrotowych susceptora powyżej 60 obr./min i asymetrycznych stosunkach wlotu gazu, takich jak 5:16:5.

Przejściowa symulacja wielofizyczna połączona z uczeniem maszynowym

Ostatnie badania integrują także przejściowe symulacje CFD z technikami uczenia maszynowego, aby przyspieszyć optymalizację procesów. Modele CFD sprzężone termoprzepływowo-chemicznie w połączeniu z sieciami neuronowymi ACO-BPNN służą do optymalizacji temperatury osadzania, przepływu gazu wlotowego, prędkości obrotowej i ciśnienia w komorze. Walidacja eksperymentalna wykazuje doskonałą zgodność między wynikami symulacji a wynikami praktycznymi, przy odchyleniach przewidywań wynoszących zaledwie 4,03% w przypadku tempa wzrostu i 0,49% w przypadku jednorodności. Takie podejście znacznie skraca cykle rozwoju i optymalizacji i jest szczególnie odpowiednie w przypadku poziomych reaktorów CVD z gorącymi ścianami.

Optymalizacja przepływu gazu i pola temperatury

Optymalizacja przepływu gazu i rozkładu pola termicznego pozostaje kluczowa dla wysokiej jakości wzrostu epitaksji SiC. W zoptymalizowanych warunkach, w tym przy natężeniu przepływu H₂ wynoszącym 100 slm, współczynniku podziału przepływu wynoszącym 20:60:20 (bok:środek:bok), stosunku C/Si wynoszącym 0,95, temperaturze wzrostu wynoszącej 1610°C i rotacji susceptora, badacze uzyskali wysoce stabilne równoległe pole przepływu i równomierny rozkład temperatury. Gradient temperatury powierzchni płytki został zmniejszony do zaledwie 19,3°C. Ponadto jednorodność domieszkowania azotem osiągnęła 3,35–4,85%, podczas gdy defekty kryształów uległy znacznej redukcji do 28 defektów ogółem, w tym tylko 8 defektów trójkątnych i 6 dyslokacji w płaszczyźnie podstawnej (BPD).

Iteracja struktury sprzętu i industrializacja

Modernizacje reaktorów na skalę przemysłową w latach 2023–2026 skupiają się głównie na systemach wtrysku gazu z rozdziałem pionowym, wielostrefowym nagrzewaniu indukcyjnym, zgodności z konfiguracjami pojedynczych i podwójnych płytek dla płytek o średnicy 6–12 cali oraz przeprojektowaniu komponentów grafitowych z automatyczną konserwacją zapobiegawczą (PM). Te ulepszenia strukturalne umożliwiły w procesach epitaksji SiC 8-calowych i 12-calowych osiągnięcie niejednorodności grubości poniżej 3% i zmienności domieszkowania poniżej 8%. Co więcej, zanieczyszczenie cząstkami zostało zmniejszone o około 50%, czas przestojów konserwacyjnych skrócony o 30%, a wahania temperatury kontrolowane w zakresie ± 5°C w systemach z dwoma płytkami.

Trzy kluczowe wnioski

1. Symulacja + uczenie maszynowe stały się główną metodą optymalizacji pola cieplnego: łącząc pole termo-płynowo-chemiczne za pomocą CFD/FEM i łącząc je z ACO-BPNN lub MOPSO/NSGA-II, optymalne parametry Pareto można znaleźć w ciągu kilku tygodni (zamiast tradycyjnych prób i błędów), znacznie poprawiając jednorodność grubości/domieszkowania o ponad 30% i redukując koszty eksperymentów. Jest to niezbędne narzędzie do epitaksjalnego wzrostu 8–12 cali SiC na dużą skalę.

2. Nie można zignorować wpływu fazy gazowej (ciśnienie/skład H₂) wewnątrz filcu izolacyjnego na pozorną przewodność cieplną: przy wysokich temperaturach H₂ dominuje przenoszenie ciepła w fazie gazowej, a zmiany ciśnienia/natężenia przepływu prekursora zmienią ogólny rozkład temperatury w reaktorze. Najnowsze modele analityczne można bezpośrednio osadzić w CFD, aby uzyskać dokładne przewidywanie mocy i kontrolę pola cieplnego w zamkniętej pętli, co jest podstawą wysokiej wydajności, oszczędności energii i jednorodności kominków termicznych.

3. Przejście na większe rozmiary (8–12 cali) wymaga innowacji konstrukcyjnych: sprzęt domowy osiągnął temperaturę powierzchni płytki ≤ ±0,5 ℃ i różnicę temperatur w dwóch płytkach ≤ 5 ℃ dzięki pionowemu podzielonemu wlotowi powietrza, wielostrefowej kontroli temperatury i optymalizacji susceptora. Jednorodność grubości/domieszkowania osiągnęła wiodący międzynarodowy poziom, bezpośrednio wspierając redukcję kosztów i podwojenie mocy produkcyjnych. Pozioma ściana grzewcza + obrotowy susceptor to nadal mainstream i nie budzi żadnych oczywistych kontrowersji.

Semicorex oferuje wysoką jakośćskładniki procesu epitaksjalnego. Jeśli masz jakiekolwiek pytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Numer telefonu kontaktowego +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com