Lämpökentän suunnittelun optimointi SiC epitaksiaaliselle uunille (kuumaseinäinen CVD-reaktori)

Keskeisenä tavoitteena on saavuttaa kiekon pinnan lämpötilan tasaisuus (≤±0,5–5℃) ja lämpötila/virtauskentän stabiilisuus, mikä parantaa epitaksiaalisen kerroksen paksuuden tasaisuutta (<3 %), seostuksen tasaisuutta (<8 %), vähentää virhetiheyttä ja lisää kasvunopeutta (>60 μm/h).

Viimeaikaiset edistysaskeleet piikarbidin epitaksiprosessin optimoinnissa ovat keskittyneet lämmönhallintaan, moniparametrien optimointiin, tekoälyavusteiseen simulointiin, kaasuvirtauksen säätelyyn ja reaktorin rakenteen päivityksiin. Nämä kehitystyöt tähtäävät epitaksikerroksen yhtenäisyyden, kasvun tehokkuuden, vikojen hallinnan ja suurten kiekkojen teollisen skaalautuvuuden parantamiseen.

Eristysmateriaalien lämmönjohtavuuden mallinnus

Yksi tärkeä tutkimussuunta on epitaksireaktoreissa käytettävän kuitugrafiittihuovan lämmönjohtavuuden mallinnus. Kehittyneitä analyyttisiä malleja on kehitetty näennäisen lämmönjohtavuuden arvioimiseksi ottaen huomioon kaasun koostumus, kammion paine ja käyttölämpötila. Vetyrikkaissa kantokaasuolosuhteissa kaasufaasilämmönsiirrosta tulee hallitseva lämmönsiirtomekanismi. Tutkimukset osoittavat, että kammion paineen alentaminen 100 mbarista 1,5 mbar:iin vähentää merkittävästi tarvittavaa lämmitystehoa. Nämä mallit mahdollistavat myös lämpötilan jakautumisen tarkemman ennustamisen eri reaktorialueille, mikä auttaa estämään saostuman epätasaisuutta, joka johtuu lämpötilan vaihteluista kiekon alueen ulkopuolella, vaikka alustan lämpötila pysyisi vakiona.

Monitavoitteenen parametrien optimointi FEM:n ja koneoppimisen avulla

Toinen suuri läpimurto yhdistää äärellisten elementtien mallinnuksen (FEM) koneoppimisalgoritmeihin usean tavoitteen optimointiin. Keskeisiä prosessiparametreja ovat kaasun kokonaisvirtausnopeus, kasvulämpötila, kammion paine, suskeptorin pyörimisnopeus ja kaasun jakelun suunnittelu. Optimointimenetelmiä, kuten MOPSO-, NSGA-II- ja SVM-korvausmalleja, on otettu laajalti käyttöön. Tulokset osoittavat, että paksuuden tasaisuutta voidaan parantaa noin 30 %, kun taas Pareto-rintaman optimointi saavuttaa sekä suuren kasvunopeuden että pienen vaihtelukertoimen samanaikaisesti. Optimaaliset prosessiikkunat löytyvät tyypillisesti kasvulämpötiloista 1450–1500 °C, kammiopaineista 80–100 mbar, suskeptorin pyörimisnopeuksista yli 60 rpm ja epäsymmetrisissä kaasun sisääntulosuhteissa, kuten 5:16:5.

Transient Multiphysics Simulation yhdistettynä koneoppimiseen

Viimeaikaiset tutkimukset yhdistävät myös ohimeneviä CFD-simulaatioita koneoppimistekniikoihin prosessin optimoinnin nopeuttamiseksi. Lämpövirtaus-kemiallisesti kytkettyjä CFD-malleja yhdistettynä ACO-BPNN-hermoverkkoihin käytetään optimoimaan laskeumalämpötilaa, sisääntulokaasuvirtausta, pyörimisnopeutta ja kammiopainetta. Kokeellinen validointi osoittaa erinomaisen yhteensopivuuden simulaation ja käytännön tulosten välillä, ja ennustepoikkeamat ovat vain 4,03 % kasvunopeuden osalta ja 0,49 % tasaisuuden osalta. Tämä lähestymistapa lyhentää merkittävästi kehitys- ja optimointijaksoja ja soveltuu erityisen hyvin vaakasuuntaisiin kuumaseinäisiin CVD-reaktoreihin.

Kaasun virtauksen ja lämpötilakentän optimointi

Kaasun virtauksen ja lämpökenttäjakauman optimointi on edelleen kriittistä korkealaatuisen piikarbidiepitaksian kasvulle. Optimoiduissa olosuhteissa, mukaan lukien H2-virtausnopeus 100 slm, virtauksen jakosuhde 20:60:20 (sivu:keskus:sivu), C/Si-suhde 0,95, kasvulämpötila 1610 °C ja suskeptorikierto, tutkijat saavuttivat erittäin vakaan yhdensuuntaisen virtauskentän ja tasaisen lämpötilajakauman. Kiekon pintalämpötilagradientti alennettiin vain 19,3 °C:seen. Lisäksi typen seostuksen tasaisuus saavutti 3,35–4,85 %, kun taas kidevirheet vähenivät merkittävästi 28 kokonaisvirheeseen, mukaan lukien vain 8 kolmiomaista vikaa ja 6 perustason dislokaatiota (BPD).

Laiterakenteen iteraatio ja teollistuminen

Teollisen mittakaavan reaktorien päivitykset vuosina 2023–2026 keskittyvät pääasiassa pystysuoraan jaettuun kaasuruiskutusjärjestelmiin, monivyöhykkeisiin induktiolämmitykseen, yhteensopivuuteen 6–12 tuuman kiekkojen yhden kiekon ja kahden kiekon kokoonpanojen kanssa sekä grafiittikomponenttien uudelleensuunnitteluun automaattisella ennaltaehkäisevällä huollolla (PM). Nämä rakenteelliset parannukset ovat mahdollistaneet 8 tuuman ja 12 tuuman piikarbidin epitaksiprosesseilla paksuuden epätasaisuuden saavuttamisen alle 3 %:n ja seostusvaihtelun alle 8 %:n. Lisäksi hiukkaskontaminaatio on vähentynyt noin 50 %, huollon seisokkiaika lyhentynyt 30 % ja lämpötilan vaihtelu hallinnassa ±5°C:n sisällä kaksoiskiekkojärjestelmissä.

Kolme keskeistä johtopäätöstä

1. Simulaatiosta + koneoppimisesta on tullut yleisin menetelmä lämpökentän optimointiin: Yhdistämällä lämpö-neste-kemiallinen kenttä CFD/FEM:n kautta ja yhdistämällä se ACO-BPNN:n tai MOPSO/NSGA-II:n kanssa, optimaaliset Pareto-parametrit löytyvät viikkojen kuluessa (eikä perinteisten kokeilujen ja virheiden vähentämisellä ja paksuuden merkittävästi vähentämisellä. kustannuksia. Tämä on olennainen työkalu 8–12 tuuman piikarbidin laajamittaiseen epitaksiaaliseen kasvuun.

2. Eristyshuovan sisällä olevan kaasufaasin (H₂-paine/koostumus) vaikutusta näennäiseen lämmönjohtavuuteen ei voida jättää huomiotta: Korkeissa H2-lämpötiloissa kaasufaasin lämmönsiirto on hallitseva, ja paineen/esiastevirtausnopeuden muutokset muuttavat reaktorin yleistä lämpötilajakaumaa. Uusimmat analyyttiset mallit voidaan upottaa suoraan CFD:hen tarkan tehon ennustamisen ja suljetun silmukan lämpökentän ohjauksen saavuttamiseksi, mikä on lämpötakkojen korkean hyötysuhteen, energiansäästön ja tasaisuuden ydin.

3. Siirtyminen suurempiin kokoihin (8–12 tuumaa) vaatii rakenteellisia innovaatioita: Kotimaiset laitteet ovat saavuttaneet kiekkojen pintalämpötilan ≤ ±0,5 ℃ ja kahden kiekon lämpötilaeron ≤ 5 ℃ pystysuoran jaetun ilmanottoaukon, monivyöhykkeen lämpötilasäädön ja suskeptorioptimoinnin ansiosta. Paksuus/dopingtasaisuus on saavuttanut kansainvälisen johtavan tason, mikä tukee suoraan kustannusten alentamista ja tuotantokapasiteetin kaksinkertaistamista. Vaakasuora kuumaseinä + pyörivä suskeptori on edelleen valtavirta, eikä ilmeistä kiistaa ole.

Semicorex tarjoaa korkealaatuistakomponentit epitaksiaalisessa prosessissa. Jos sinulla on kysyttävää tai tarvitset lisätietoja, älä epäröi ottaa meihin yhteyttä.

Puhelinnumero +86-13567891907

Sähköposti: sales@semicorex.com