Оптимизиране на дизайна на термично поле за SiC епитаксиална пещ (CVD реактор с горещи стени)

Основната цел е да се постигне еднородност на температурата на повърхността на пластината (≤±0,5–5℃) и стабилност на полето на температурата/потока, като по този начин се подобри еднаквостта на дебелината на епитаксиалния слой (<3%), еднородността на допинга (<8%), намаляване на плътността на дефектите и увеличаване на скоростта на растеж (>60 μm/h).

Последните постижения в оптимизирането на процеса на епитаксия на SiC са фокусирани върху термично управление, многопараметрична оптимизация, симулация с помощта на AI, регулиране на газовия поток и подобрения на структурата на реактора. Тези разработки имат за цел да подобрят еднородността на епитаксиалния слой, ефективността на растежа, контрола на дефектите и индустриалната мащабируемост на големи пластини.

Моделиране на топлопроводимостта на изолационни материали

Една важна изследователска насока е моделирането на топлопроводимостта на влакнест графитен филц, използван в епитаксиални реактори. Разработени са усъвършенствани аналитични модели за оценка на привидната топлопроводимост, като същевременно се отчита газовият състав, налягането в камерата и работната температура. При условия на газ-носител, богат на водород, преносът на топлина в газова фаза става доминиращ механизъм за пренос на топлина. Проучванията показват, че намаляването на налягането в камерата от 100 mbar до 1,5 mbar значително намалява необходимата отоплителна мощност. Тези модели също позволяват по-точно прогнозиране на разпределението на температурата в различните региони на реактора, като помагат за предотвратяване на нееднородност на отлагането, причинена от температурни вариации извън зоната на пластината, дори когато температурата на субстрата остава постоянна.

Многоцелева оптимизация на параметри с помощта на FEM и машинно обучение

Друг голям пробив съчетава моделиране с крайни елементи (FEM) с алгоритми за машинно обучение за многоцелева оптимизация. Ключовите параметри на процеса включват общ дебит на газ, температура на растеж, налягане в камерата, скорост на въртене на фиксатора и дизайн на газоразпределението. Подходи за оптимизация като MOPSO, NSGA-II и SVM сурогатни модели са широко възприети. Резултатите показват, че еднаквостта на дебелината може да бъде подобрена с приблизително 30%, докато Парето-фронт оптимизацията постига както високи темпове на растеж, така и нисък коефициент на вариация едновременно. Оптималните технологични прозорци обикновено се намират при температури на растеж от 1450–1500°C, налягане в камерата от 80–100 mbar, скорости на въртене на въртящия елемент над 60 rpm и асиметрични съотношения на входа на газ като 5:16:5.

Преходна мултифизична симулация, комбинирана с машинно обучение

Последните проучвания също така интегрират преходни CFD симулации с техники за машинно обучение за ускоряване на оптимизацията на процеса. CFD модели, свързани с термичен поток и химикали, комбинирани с ACO-BPNN невронни мрежи, се използват за оптимизиране на температурата на отлагане, входящия газов поток, скоростта на въртене и налягането в камерата. Експерименталното валидиране показва отлично съответствие между симулацията и практическите резултати, с прогнозни отклонения от само 4,03% за темп на растеж и 0,49% за еднородност. Този подход значително съкращава циклите на разработване и оптимизиране и е особено подходящ за хоризонтални CVD реактори с горещи стени.

Газов поток и оптимизиране на температурното поле

Оптимизирането на газовия поток и разпределението на термичното поле остава критично за висококачествен растеж на SiC епитаксия. При оптимизирани условия, включително скорост на потока H₂ от 100 slm, съотношение на разделяне на потока от 20:60:20 (страна:център:страна), съотношение C/Si от 0,95, температура на растеж от 1610°C и въртене на въртене, изследователите постигнаха силно стабилно поле на паралелен поток и равномерно разпределение на температурата. Температурният градиент на повърхността на пластината беше намален до само 19,3°C. В допълнение, еднородността на азотния допинг достигна 3, 35–4, 85%, докато кристалните дефекти бяха значително намалени до 28 общи дефекта, включително само 8 триъгълни дефекта и 6 дислокации на базалната равнина (BPD).

Итерация и индустриализация на структурата на оборудването

Обновяването на реакторите в промишлен мащаб между 2023 г. и 2026 г. се фокусира главно върху вертикално разделени системи за впръскване на газ, многозоново индукционно нагряване, съвместимост както с конфигурации с единични пластини, така и с двойни пластини за 6–12 инчови пластини и редизайн на графитни компоненти с автоматизирана превантивна поддръжка (PM). Тези структурни подобрения са позволили 8-инчови и 12-инчови SiC епитаксиални процеси за постигане на неравномерност на дебелината под 3% и вариация на допинга под 8%. Освен това, замърсяването с частици е намалено с приблизително 50%, времето за поддръжка е съкратено с 30%, а температурните промени са контролирани в рамките на ±5°C в системите с двойна пластина.

Три ключови заключения

1. Симулацията + машинното обучение се превърна в основен метод за оптимизиране на термичното поле: Чрез свързване на термо-флуидно-химическото поле чрез CFD/FEM и комбинирането му с ACO-BPNN или MOPSO/NSGA-II, оптималните параметри на Парето могат да бъдат намерени в рамките на седмици (вместо традиционните опити и грешки), значително подобрявайки еднородността на дебелината/допинга с повече от 30% и намаляване на експерименталните разходи. Това е основен инструмент за широкомащабно епитаксиално израстване на 8–12-инчов SiC.

2. Влиянието на газовата фаза (налягане/състав на H₂) вътре в изолационния филц върху привидната топлопроводимост не може да бъде пренебрегнато: При високи температури на H₂ преносът на топлина в газовата фаза е доминиращ и промените в налягането/дебита на прекурсора ще променят общото разпределение на температурата на реактора. Най-новите аналитични модели могат да бъдат директно вградени в CFD за постигане на точно прогнозиране на мощността и контрол на термичното поле със затворен контур, което е в основата на висока ефективност, спестяване на енергия и еднородност в термичните камини.

3. Преходът към по-големи размери (8–12 инча) изисква структурна иновация: Домашното оборудване е постигнало температура на повърхността на вафлите ≤ ±0,5 ℃ и температурна разлика на двойните вафли ≤ 5 ℃ чрез вертикално разделено всмукване на въздух, многозоново управление на температурата и оптимизация на ток. Уеднаквяването на дебелината/допинга достигна водещо международно ниво, като пряко подпомага намаляването на разходите и удвояването на производствения капацитет. Хоризонталната гореща стена + въртящ се възприемчик все още е мейнстрийм и няма очевидни противоречия.

Semicorex предлага високо качествокомпоненти в епитаксиалния процес. Ако имате запитвания или се нуждаете от допълнителни подробности, моля не се колебайте да се свържете с нас.

Телефон за връзка +86-13567891907

Имейл: sales@semicorex.com