Βελτιστοποίηση σχεδιασμού θερμικού πεδίου για επιταξιακό κλίβανο SiC (αντιδραστήρας CVD θερμού τοιχώματος)

Ο βασικός στόχος είναι να επιτευχθεί ομοιομορφία θερμοκρασίας επιφάνειας πλακιδίων (≤±0,5–5℃) και σταθερότητα πεδίου θερμοκρασίας/ροής, βελτιώνοντας έτσι την ομοιομορφία πάχους επιταξιακής στρώσης (<3%), ομοιομορφία ντόπινγκ (<8%), μείωση της πυκνότητας ελαττώματος και αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης (>60 μm/h).

Οι πρόσφατες εξελίξεις στη βελτιστοποίηση της διαδικασίας επιταξίας SiC επικεντρώθηκαν στη θερμική διαχείριση, τη βελτιστοποίηση πολλαπλών παραμέτρων, την προσομοίωση με τη βοήθεια AI, τη ρύθμιση ροής αερίου και τις αναβαθμίσεις της δομής του αντιδραστήρα. Αυτές οι εξελίξεις στοχεύουν στη βελτίωση της ομοιομορφίας του επιταξιακού στρώματος, της αποδοτικότητας ανάπτυξης, του ελέγχου ελαττωμάτων και της βιομηχανικής επεκτασιμότητας μεγάλων πλακιδίων.

Μοντελοποίηση θερμικής αγωγιμότητας μονωτικών υλικών

Μια σημαντική ερευνητική κατεύθυνση είναι η μοντελοποίηση θερμικής αγωγιμότητας του ινώδους γραφίτη που χρησιμοποιείται σε αντιδραστήρες επιταξίας. Έχουν αναπτυχθεί προηγμένα αναλυτικά μοντέλα για την αξιολόγηση της φαινομενικής θερμικής αγωγιμότητας λαμβάνοντας υπόψη τη σύνθεση αερίου, την πίεση του θαλάμου και τη θερμοκρασία λειτουργίας. Υπό συνθήκες πλούσιες σε υδρογόνο φέρον αέριο, η μεταφορά θερμότητας σε αέρια φάση γίνεται ο κυρίαρχος μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας. Μελέτες δείχνουν ότι η μείωση της πίεσης του θαλάμου από 100 mbar σε 1,5 mbar μειώνει σημαντικά την απαιτούμενη ισχύ θέρμανσης. Αυτά τα μοντέλα επιτρέπουν επίσης πιο ακριβή πρόβλεψη της κατανομής θερμοκρασίας σε διάφορες περιοχές αντιδραστήρα, βοηθώντας στην αποφυγή της ανομοιομορφίας εναπόθεσης που προκαλείται από διακυμάνσεις θερμοκρασίας έξω από την περιοχή του πλακιδίου, ακόμη και όταν η θερμοκρασία του υποστρώματος παραμένει σταθερή.

Βελτιστοποίηση παραμέτρων πολλαπλών στόχων με χρήση FEM και μηχανικής μάθησης

Μια άλλη σημαντική ανακάλυψη συνδυάζει τη μοντελοποίηση πεπερασμένων στοιχείων (FEM) με αλγόριθμους μηχανικής μάθησης για βελτιστοποίηση πολλαπλών στόχων. Οι βασικές παράμετροι διεργασίας περιλαμβάνουν τη συνολική ταχύτητα ροής αερίου, τη θερμοκρασία ανάπτυξης, την πίεση θαλάμου, την ταχύτητα περιστροφής του υποδοχέα και τον σχεδιασμό διανομής αερίου. Οι προσεγγίσεις βελτιστοποίησης όπως τα υποκατάστατα μοντέλα MOPSO, NSGA-II και SVM έχουν υιοθετηθεί ευρέως. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ομοιομορφία του πάχους μπορεί να βελτιωθεί κατά περίπου 30%, ενώ η βελτιστοποίηση Pareto-front επιτυγχάνει ταυτόχρονα υψηλούς ρυθμούς ανάπτυξης και χαμηλό συντελεστή διακύμανσης. Τα βέλτιστα παράθυρα διεργασίας απαντώνται συνήθως σε θερμοκρασίες ανάπτυξης 1450-1500°C, πιέσεις θαλάμου 80-100 mbar, ταχύτητες περιστροφής του δέκτη πάνω από 60 rpm και ασύμμετρους λόγους εισόδου αερίου όπως 5:16:5.

Προσομοίωση Μεταβατικής Πολυφυσικής σε συνδυασμό με Μηχανική Μάθηση

Πρόσφατες μελέτες ενσωματώνουν επίσης μεταβατικές προσομοιώσεις CFD με τεχνικές μηχανικής εκμάθησης για να επιταχύνουν τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας. Τα μοντέλα CFD με σύζευξη θερμικής ροής με χημικά σε συνδυασμό με νευρωνικά δίκτυα ACO-BPNN χρησιμοποιούνται για τη βελτιστοποίηση της θερμοκρασίας εναπόθεσης, της ροής αερίου εισόδου, της ταχύτητας περιστροφής και της πίεσης του θαλάμου. Η πειραματική επικύρωση δείχνει εξαιρετική συμφωνία μεταξύ της προσομοίωσης και των πρακτικών αποτελεσμάτων, με αποκλίσεις πρόβλεψης μόνο 4,03% για ρυθμό ανάπτυξης και 0,49% για ομοιομορφία. Αυτή η προσέγγιση συντομεύει σημαντικά τους κύκλους ανάπτυξης και βελτιστοποίησης και είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για οριζόντιους αντιδραστήρες CVD θερμού τοιχώματος.

Βελτιστοποίηση πεδίου ροής και θερμοκρασίας αερίου

Η βελτιστοποίηση της ροής αερίου και της κατανομής του θερμικού πεδίου παραμένει κρίσιμη για την ανάπτυξη επιτάξεων SiC υψηλής ποιότητας. Υπό βελτιστοποιημένες συνθήκες, συμπεριλαμβανομένου του ρυθμού ροής H2 100 slm, του λόγου διαχωρισμού ροής 20:60:20 (πλευρά:κέντρο:πλευρά), αναλογία C/Si 0,95, θερμοκρασία ανάπτυξης 1610°C και περιστροφή υποδοχέα, οι ερευνητές πέτυχαν μια εξαιρετικά σταθερή και ομοιόμορφη παράλληλη ροή θερμοκρασίας κατανομής πεδίου. Η κλίση θερμοκρασίας της επιφάνειας του πλακιδίου μειώθηκε μόνο στους 19,3°C. Επιπλέον, η ομοιομορφία ντόπινγκ αζώτου έφτασε το 3,35–4,85%, ενώ τα ελαττώματα κρυστάλλου μειώθηκαν σημαντικά σε 28 συνολικά ελαττώματα, συμπεριλαμβανομένων μόνο 8 τριγωνικών ελαττωμάτων και 6 εξαρθρώσεων βασικού επιπέδου (BPDs).

Επανάληψη Δομής Εξοπλισμού και Βιομηχανοποίηση

Οι αναβαθμίσεις των αντιδραστήρων βιομηχανικής κλίμακας μεταξύ 2023 και 2026 επικεντρώνονται κυρίως σε συστήματα κατακόρυφης διαίρεσης έγχυσης αερίου, επαγωγική θέρμανση πολλαπλών ζωνών, συμβατότητα με διαμορφώσεις μονής και διπλής πλακέτας για γκοφρέτες 6–12 ιντσών και επανασχεδιασμό εξαρτημάτων γραφίτη με αυτοματοποιημένη προληπτική συντήρηση (PM). Αυτές οι δομικές βελτιώσεις επέτρεψαν στις διεργασίες επιτάξεως SiC 8 ιντσών και 12 ιντσών να επιτύχουν ανομοιομορφία πάχους κάτω από 3% και διακύμανση ντόπινγκ κάτω από 8%. Επιπλέον, η μόλυνση από σωματίδια έχει μειωθεί κατά περίπου 50%, ο χρόνος διακοπής συντήρησης μειώθηκε κατά 30% και η διακύμανση της θερμοκρασίας ελέγχεται εντός ±5°C σε συστήματα διπλού πλακιδίου.

Τρία βασικά συμπεράσματα

1. Η προσομοίωση + η μηχανική μάθηση έχει γίνει η κύρια μέθοδος για τη βελτιστοποίηση θερμικού πεδίου: Με τη σύζευξη του θερμορευστού-χημικού πεδίου μέσω CFD/FEM και συνδυάζοντάς το με το ACO-BPNN ή το MOPSO/NSGA-II, οι βέλτιστες παράμετροι Pareto μπορούν να βρεθούν εντός εβδομάδων (αντί για την παραδοσιακή ομοιόμορφη δοκιμή και την παραδοσιακή δοκιμή). 30% και μείωση του πειραματικού κόστους. Αυτό είναι ένα απαραίτητο εργαλείο για τη μεγάλης κλίμακας επιταξιακή ανάπτυξη SiC 8–12 ιντσών.

2. Δεν μπορεί να αγνοηθεί η επίδραση της φάσης αερίου (πίεση/σύνθεση H2) στο εσωτερικό της μόνωσης στην φαινομενική θερμική αγωγιμότητα: Σε υψηλές θερμοκρασίες H2, η μεταφορά θερμότητας αέριας φάσης είναι κυρίαρχη και οι αλλαγές στην πίεση/ταχύτητα ροής πρόδρομου θα αλλάξουν τη συνολική κατανομή θερμοκρασίας του αντιδραστήρα. Τα πιο πρόσφατα αναλυτικά μοντέλα μπορούν να ενσωματωθούν απευθείας στο CFD για την επίτευξη ακριβούς πρόβλεψης ισχύος και ελέγχου θερμικού πεδίου κλειστού βρόχου, που είναι ο πυρήνας της υψηλής απόδοσης, της εξοικονόμησης ενέργειας και της ομοιομορφίας στα θερμικά τζάκια.

3. Η μετάβαση σε μεγαλύτερα μεγέθη (8–12 ίντσες) απαιτεί δομική καινοτομία: Ο οικιακός εξοπλισμός έχει επιτύχει θερμοκρασία επιφάνειας γκοφρέτας ≤ ±0,5℃ και διαφορά θερμοκρασίας διπλού πλακιδίου ≤ 5℃ μέσω κατακόρυφης διαίρεσης εισαγωγής αέρα, ελέγχου θερμοκρασίας πολλαπλών ζωνών και βελτιστοποίησης υποδοχέα. Η ομοιομορφία πάχους/ντόπινγκ έχει φτάσει στο διεθνές κορυφαίο επίπεδο, υποστηρίζοντας άμεσα τη μείωση του κόστους και τον διπλασιασμό της παραγωγικής ικανότητας. Το οριζόντιο hotwall + περιστρεφόμενος υποδοχέας εξακολουθεί να είναι το κύριο ρεύμα και δεν υπάρχει προφανής διαμάχη.

Το Semicorex προσφέρει υψηλή ποιότητασυστατικά στην επιταξιακή διαδικασία. Εάν έχετε οποιαδήποτε απορία ή χρειάζεστε πρόσθετες λεπτομέρειες, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας.

Τηλέφωνο επικοινωνίας +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com