Optimalisatie van thermisch veldontwerp voor SiC epitaxiale oven (CVD-reactor met warme wand)

Het kerndoel is het bereiken van uniformiteit van de oppervlaktetemperatuur van de wafel (≤ ± 0,5–5 ℃) en temperatuur-/stromingsveldstabiliteit, waardoor de uniformiteit van de epitaxiale laagdikte (<3%), de doteringsuniformiteit (<8%) wordt verbeterd, de defectdichtheid wordt verminderd en de groeisnelheid toeneemt (> 60 μm/u).

Recente ontwikkelingen op het gebied van procesoptimalisatie van SiC-epitaxie hebben zich geconcentreerd op thermisch beheer, optimalisatie van meerdere parameters, AI-ondersteunde simulatie, gasstroomregulering en upgrades van de reactorstructuur. Deze ontwikkelingen zijn gericht op het verbeteren van de uniformiteit van de epitaxiale laag, de groei-efficiëntie, de defectcontrole en de industriële schaalbaarheid van grote wafers.

Modellering van thermische geleidbaarheid van isolatiematerialen

Een belangrijke onderzoeksrichting is de modellering van de thermische geleidbaarheid van vezelig grafietvilt dat wordt gebruikt in epitaxiereactoren. Er zijn geavanceerde analytische modellen ontwikkeld om de schijnbare thermische geleidbaarheid te evalueren, waarbij rekening wordt gehouden met de gassamenstelling, kamerdruk en bedrijfstemperatuur. Onder waterstofrijke draaggasomstandigheden wordt warmteoverdracht in de gasfase het dominante warmteoverdrachtsmechanisme. Uit onderzoek blijkt dat het verlagen van de kamerdruk van 100 mbar naar 1,5 mbar het benodigde verwarmingsvermogen aanzienlijk verlaagt. Deze modellen maken ook een nauwkeurigere voorspelling van de temperatuurverdeling over verschillende reactorgebieden mogelijk, waardoor niet-uniformiteit van de afzetting wordt voorkomen die wordt veroorzaakt door temperatuurvariaties buiten het wafergebied, zelfs als de substraattemperatuur constant blijft.

Parameteroptimalisatie met meerdere doelstellingen met behulp van FEM en Machine Learning

Een andere grote doorbraak combineert eindige elementenmodellering (FEM) met machine learning-algoritmen voor optimalisatie met meerdere doelstellingen. Belangrijke procesparameters zijn onder meer de totale gasstroomsnelheid, de groeitemperatuur, de kamerdruk, de rotatiesnelheid van de susceptor en het ontwerp van de gasdistributie. Optimalisatiebenaderingen zoals MOPSO-, NSGA-II- en SVM-surrogaatmodellen zijn op grote schaal toegepast. De resultaten tonen aan dat de dikte-uniformiteit met ongeveer 30% kan worden verbeterd, terwijl Pareto-front-optimalisatie tegelijkertijd zowel hoge groeisnelheden als een lage variatiecoëfficiënt bereikt. Optimale procesvensters worden doorgaans aangetroffen bij groeitemperaturen van 1450–1500 °C, kamerdrukken van 80–100 mbar, susceptorrotatiesnelheden boven 60 rpm en asymmetrische gasinlaatverhoudingen zoals 5:16:5.

Transient Multiphysics-simulatie gecombineerd met machinaal leren

Recente onderzoeken integreren ook voorbijgaande CFD-simulaties met machine learning-technieken om procesoptimalisatie te versnellen. Thermisch-stroom-chemisch gekoppelde CFD-modellen gecombineerd met ACO-BPNN neurale netwerken worden gebruikt om de depositietemperatuur, inlaatgasstroom, rotatiesnelheid en kamerdruk te optimaliseren. Experimentele validatie laat een uitstekende overeenkomst zien tussen simulatie en praktische resultaten, met voorspellingsafwijkingen van slechts 4,03% voor de groeisnelheid en 0,49% voor de uniformiteit. Deze aanpak verkort de ontwikkelings- en optimalisatiecycli aanzienlijk en is met name geschikt voor horizontale CVD-reactoren met warme muren.

Gasstroom- en temperatuurveldoptimalisatie

Optimalisatie van de gasstroom en distributie van thermische velden blijft van cruciaal belang voor hoogwaardige SiC-epitaxiegroei. Onder geoptimaliseerde omstandigheden, waaronder een H₂-stroomsnelheid van 100 slm, flowsplit-ratio van 20:60:20 (zijkant:midden:zijkant), C/Si-verhouding van 0,95, groeitemperatuur van 1610 °C en susceptorrotatie, bereikten onderzoekers een zeer stabiel parallel stroomveld en een uniforme temperatuurverdeling. De temperatuurgradiënt van het wafeloppervlak werd teruggebracht tot slechts 19,3°C. Bovendien bereikte de uniformiteit van de stikstofdotering 3,35-4,85%, terwijl de kristaldefecten aanzienlijk werden teruggebracht tot 28 totale defecten, waaronder slechts 8 driehoekige defecten en 6 basaalvlakdislocaties (BPD's).

Apparatuurstructuur Iteratie en industrialisatie

Reactorupgrades op industriële schaal tussen 2023 en 2026 zijn voornamelijk gericht op verticaal gesplitste gasinjectiesystemen, inductieverwarming in meerdere zones, compatibiliteit met configuraties met zowel enkele als dubbele wafers voor wafers van 6 tot 12 inch, en het herontwerp van grafietcomponenten met geautomatiseerd preventief onderhoud (PM). Deze structurele verbeteringen hebben het mogelijk gemaakt dat 8-inch en 12-inch SiC-epitaxieprocessen een niet-uniformiteit in dikte van minder dan 3% en doteringsvariatie van minder dan 8% bereiken. Bovendien is de deeltjesverontreiniging met ongeveer 50% verminderd, is de stilstandtijd voor onderhoud met 30% verkort en is de temperatuurvariatie binnen ±5°C gecontroleerd in systemen met dubbele wafers.

Drie belangrijke conclusies

1. Simulatie en machinaal leren zijn de mainstream-methode geworden voor thermische veldoptimalisatie: door het thermo-vloeistof-chemische veld te koppelen via CFD/FEM en dit te combineren met ACO-BPNN of MOPSO/NSGA-II, kunnen de optimale Pareto-parameters binnen enkele weken worden gevonden (in plaats van traditioneel vallen en opstaan), waardoor de dikte/doping-uniformiteit aanzienlijk wordt verbeterd met meer dan 30% en de experimentele kosten worden verlaagd. Dit is een essentieel hulpmiddel voor de grootschalige epitaxiale groei van 8-12-inch SiC.

2. De invloed van de gasfase (H₂-druk/-samenstelling) binnen de isolatie op de schijnbare thermische geleidbaarheid kan niet worden genegeerd: bij hoge H₂-temperaturen is de warmteoverdracht in de gasfase dominant, en veranderingen in de druk/voorloperstroomsnelheid zullen de algehele temperatuurverdeling van de reactor veranderen. De nieuwste analytische modellen kunnen rechtstreeks in CFD worden ingebed om nauwkeurige vermogensvoorspelling en thermische veldcontrole met gesloten lus te bereiken, wat de kern vormt van hoge efficiëntie, energiebesparing en uniformiteit bij thermische haarden.

3. De overgang naar grotere maten (8-12 inch) vereist structurele innovatie: huishoudelijke apparatuur heeft een oppervlaktetemperatuur van de wafer bereikt van ≤ ±0,5 ℃ en een temperatuurverschil tussen twee wafers van ≤ 5 ℃ door middel van verticale gesplitste luchtinlaat, temperatuurregeling in meerdere zones en susceptoroptimalisatie. De uniformiteit van de dikte/doping heeft het internationaal toonaangevende niveau bereikt, wat rechtstreeks bijdraagt ​​aan de kostenreductie en de verdubbeling van de productiecapaciteit. Horizontale hotwall + roterende susceptor is nog steeds de mainstream en er is geen duidelijke controverse.

Semicorex biedt hoogwaardige kwaliteitcomponenten in epitaxiaal proces. Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Neem contact op met telefoonnummer +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com