Оптимизация конструкции теплового поля для эпитаксиальной печи SiC (CVD-реактор с горячими стенками)

Основная цель — добиться однородности температуры поверхности пластины (≤±0,5–5 ℃) и стабильности поля температуры/потока, тем самым улучшая однородность толщины эпитаксиального слоя (<3%), однородность легирования (<8%), уменьшая плотность дефектов и увеличивая скорость роста (>60 мкм/ч).

Последние достижения в оптимизации процесса эпитаксии SiC сосредоточены на управлении температурным режимом, многопараметрической оптимизации, моделировании с помощью искусственного интеллекта, регулировании потока газа и модернизации конструкции реактора. Эти разработки направлены на улучшение однородности эпитаксиального слоя, эффективности роста, контроля дефектов и промышленной масштабируемости больших пластин.

Моделирование теплопроводности изоляционных материалов

Одним из важных направлений исследований является моделирование теплопроводности волокнисто-графитового войлока, используемого в реакторах эпитаксии. Были разработаны усовершенствованные аналитические модели для оценки кажущейся теплопроводности с учетом состава газа, давления в камере и рабочей температуры. В условиях богатого водородом газа-носителя газофазный теплообмен становится доминирующим механизмом теплопередачи. Исследования показывают, что снижение давления в камере со 100 мбар до 1,5 мбар существенно снижает требуемую мощность нагрева. Эти модели также позволяют более точно прогнозировать распределение температуры в различных областях реактора, помогая предотвратить неравномерность осаждения, вызванную изменениями температуры за пределами области пластины, даже если температура подложки остается постоянной.

Многоцелевая оптимизация параметров с использованием FEM и машинного обучения

Еще один крупный прорыв – это сочетание моделирования методом конечных элементов (МКЭ) с алгоритмами машинного обучения для многокритериальной оптимизации. Ключевые параметры процесса включают общий расход газа, температуру роста, давление в камере, скорость вращения токоприемника и конструкцию газораспределения. Широкое распространение получили такие подходы к оптимизации, как суррогатные модели MOPSO, NSGA-II и SVM. Результаты показывают, что однородность толщины может быть улучшена примерно на 30%, в то время как оптимизация фронта Парето обеспечивает одновременно высокие темпы роста и низкий коэффициент вариации. Оптимальные технологические окна обычно находятся при температурах роста 1450–1500°C, давлении в камере 80–100 мбар, скорости вращения токоприемника выше 60 об/мин и асимметричном соотношении входных газов, например 5:16:5.

Мультифизическое моделирование переходных процессов в сочетании с машинным обучением

Недавние исследования также объединяют моделирование переходных процессов CFD с методами машинного обучения для ускорения оптимизации процессов. CFD-модели, связанные с термопотоком и химикатами, в сочетании с нейронными сетями ACO-BPNN используются для оптимизации температуры осаждения, расхода входящего газа, скорости вращения и давления в камере. Экспериментальная проверка показывает превосходное согласие между результатами моделирования и практическими результатами: отклонения прогноза составляют всего 4,03% для скорости роста и 0,49% для однородности. Этот подход значительно сокращает циклы разработки и оптимизации и особенно подходит для горизонтальных CVD-реакторов с горячими стенками.

Оптимизация расхода газа и температурного поля

Оптимизация распределения газового потока и теплового поля остается критически важной для высококачественного роста эпитаксии SiC. В оптимизированных условиях, включая скорость потока H₂ 100 см/м, коэффициент разделения потока 20:60:20 (сторона:центр:сторона), соотношение C/Si 0,95, температуру роста 1610°C и вращение токоприемника, исследователи достигли высокостабильного поля параллельного потока и равномерного распределения температуры. Градиент температуры поверхности пластины был уменьшен всего до 19,3°C. Кроме того, однородность легирования азотом достигла 3,35–4,85 %, а количество дефектов кристалла значительно сократилось до 28 дефектов, в том числе только 8 треугольных дефектов и 6 базисно-плоских дислокаций (БПД).

Итерация структуры оборудования и индустриализация

Модернизация реакторов промышленного масштаба в период с 2023 по 2026 год в основном сосредоточена на системах вертикального разделенного впрыска газа, многозонном индукционном нагреве, совместимости с конфигурациями как с одной, так и с двумя пластинами для пластин диаметром 6–12 дюймов, а также на модернизации графитовых компонентов с автоматическим профилактическим обслуживанием (PM). Эти структурные улучшения позволили в процессах эпитаксии SiC размером 8 и 12 дюймов добиться неоднородности толщины менее 3% и отклонения легирования менее 8%. Кроме того, загрязнение частицами снижено примерно на 50 %, время простоя при обслуживании сокращено на 30 %, а изменение температуры контролируется в пределах ±5 °C в системах с двумя пластинами.

Три ключевых вывода

1. Моделирование + машинное обучение стало основным методом оптимизации теплового поля: объединив терможидкостно-химическое поле с помощью CFD/FEM и объединив его с ACO-BPNN или MOPSO/NSGA-II, оптимальные параметры Парето можно найти в течение нескольких недель (вместо традиционных проб и ошибок), что значительно улучшает однородность толщины/легирования более чем на 30% и снижает затраты на эксперименты. Это важный инструмент для крупномасштабного эпитаксиального выращивания SiC размером 8–12 дюймов.

2. Влияние газовой фазы (давление/состав H₂) внутри изоляционного войлока на кажущуюся теплопроводность нельзя игнорировать: при высоких температурах H₂ преобладает теплообмен в газовой фазе, а изменения давления/скорости потока прекурсора изменят общее распределение температуры в реакторе. Новейшие аналитические модели могут быть непосредственно встроены в CFD для достижения точного прогнозирования мощности и управления тепловым полем с обратной связью, что является основой высокой эффективности, энергосбережения и однородности тепловых каминов.

3. Переход к более крупным размерам (8–12 дюймов) требует структурных инноваций: отечественное оборудование достигло температуры поверхности пластины ≤ ± 0,5 ℃ и разницы температур двух пластин ≤ 5 ℃ за счет вертикального разделенного воздухозаборника, многозонного контроля температуры и оптимизации токоприемника. Однородность толщины/легирования достигла лидирующего международного уровня, что напрямую способствует снижению затрат и удвоению производственных мощностей. Горизонтальная горячая стена + вращающийся токоприемник по-прежнему являются основной тенденцией, и здесь нет явных разногласий.

Semicorex предлагает высококачественныекомпоненты в эпитаксиальном процессе. Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Контактный телефон +86-13567891907.

Электронная почта: sales@semicorex.com