SiC epitaksiyel fırın (sıcak duvarlı CVD reaktörü) için termal alan tasarımının optimizasyonu

Temel amaç, levha yüzey sıcaklığı homojenliğini (≤±0,5–5°C) ve sıcaklık/akış alanı stabilitesini elde etmek, böylece epitaksiyel katman kalınlığı tekdüzeliğini (<%3), katkılama tekdüzeliğini (<%8), kusur yoğunluğunu azaltmak ve büyüme oranını arttırmaktır (>60 μm/saat).

SiC epitaksi proses optimizasyonundaki son gelişmeler, termal yönetim, çok parametreli optimizasyon, yapay zeka destekli simülasyon, gaz akışı düzenlemesi ve reaktör yapısı yükseltmelerine odaklandı. Bu gelişmeler, epitaksiyel katman tekdüzeliğini, büyüme verimliliğini, kusur kontrolünü ve büyük levha endüstriyel ölçeklenebilirliğini geliştirmeyi amaçlamaktadır.

Yalıtım Malzemelerinin Isıl İletkenlik Modellemesi

Önemli bir araştırma yönü, epitaksi reaktörlerinde kullanılan lifli grafit keçenin termal iletkenlik modellemesidir. Gaz bileşimi, oda basıncı ve çalışma sıcaklığı dikkate alınarak görünür termal iletkenliğin değerlendirilmesi için ileri analitik modeller geliştirilmiştir. Hidrojen açısından zengin taşıyıcı gaz koşulları altında, gaz fazındaki ısı transferi, baskın ısı transfer mekanizması haline gelir. Çalışmalar, oda basıncını 100 mbar'dan 1,5 mbar'a düşürmenin gerekli ısıtma gücünü önemli ölçüde azalttığını göstermektedir. Bu modeller aynı zamanda farklı reaktör bölgeleri boyunca sıcaklık dağılımının daha doğru bir şekilde tahmin edilmesini sağlayarak, substrat sıcaklığı sabit kalsa bile levha alanı dışındaki sıcaklık değişimlerinin neden olduğu birikim düzensizliğinin önlenmesine yardımcı olur.

FEM ve Makine Öğrenimini Kullanarak Çok Amaçlı Parametre Optimizasyonu

Bir diğer büyük buluş, çok amaçlı optimizasyon için sonlu eleman modellemeyi (FEM) makine öğrenme algoritmalarıyla birleştiriyor. Anahtar proses parametreleri arasında toplam gaz akış hızı, büyüme sıcaklığı, oda basıncı, tutucu dönüş hızı ve gaz dağıtım tasarımı yer alır. MOPSO, NSGA-II ve SVM yedek modelleri gibi optimizasyon yaklaşımları geniş çapta benimsenmiştir. Sonuçlar, kalınlık tekdüzeliğinin yaklaşık %30 oranında artırılabileceğini, Pareto-ön optimizasyonunun ise aynı anda hem yüksek büyüme oranlarına hem de düşük değişim katsayısına ulaştığını göstermektedir. Optimum işlem pencereleri tipik olarak 1450–1500°C büyüme sıcaklıklarında, 80–100 mbar oda basınçlarında, 60 rpm'nin üzerindeki suseptör dönüş hızlarında ve 5:16:5 gibi asimetrik gaz giriş oranlarında bulunur.

Makine Öğrenimiyle Birleştirilmiş Geçici Çoklu Fizik Simülasyonu

Son çalışmalar aynı zamanda süreç optimizasyonunu hızlandırmak için geçici CFD simülasyonlarını makine öğrenme teknikleriyle birleştiriyor. ACO-BPNN sinir ağlarıyla birleştirilmiş termal-akış-kimyasal bağlantılı CFD modelleri, biriktirme sıcaklığını, giriş gazı akışını, dönüş hızını ve oda basıncını optimize etmek için kullanılır. Deneysel doğrulama, büyüme oranı için yalnızca %4,03 ve tekdüzelik için %0,49'luk tahmin sapmalarıyla simülasyon ve pratik sonuçlar arasında mükemmel bir uyum olduğunu göstermektedir. Bu yaklaşım, geliştirme ve optimizasyon döngülerini önemli ölçüde kısaltır ve özellikle yatay sıcak duvarlı CVD reaktörleri için uygundur.

Gaz Akışı ve Sıcaklık Alanı Optimizasyonu

Gaz akışının ve termal alan dağılımının optimizasyonu, yüksek kaliteli SiC epitaksi büyümesi için kritik olmaya devam ediyor. 100 slm H₂ akış hızı, 20:60:20 akış bölme oranı (yan:merkez:yan), 0,95 C/Si oranı, 1610°C büyüme sıcaklığı ve tutucu rotasyonu dahil olmak üzere optimize edilmiş koşullar altında araştırmacılar oldukça kararlı bir paralel akış alanı ve düzgün sıcaklık dağılımı elde etti. Plaka yüzeyi sıcaklık gradyanı yalnızca 19,3°C'ye düşürüldü. Ek olarak, nitrojen katkılama tekdüzeliği %3,35-4,85'e ulaşırken kristal kusurları, yalnızca 8 üçgen kusur ve 6 bazal düzlem dislokasyonu (BPD) dahil olmak üzere toplam 28 kusura önemli ölçüde azaltıldı.

Ekipman Yapısı Yinelemesi ve Sanayileşme

2023 ile 2026 arasındaki endüstriyel ölçekli reaktör yükseltmeleri temel olarak dikey bölünmüş gaz enjeksiyon sistemlerine, çok bölgeli indüksiyonlu ısıtmaya, 6-12 inç levhalar için hem tek levhalı hem de çift levhalı konfigürasyonlarla uyumluluğa ve otomatik önleyici bakım (PM) ile grafit bileşenin yeniden tasarımına odaklanıyor. Bu yapısal iyileştirmeler, 8 inç ve 12 inç SiC epitaksi işlemlerinin %3'ün altında kalınlık eşitsizliği ve %8'in altında katkılama değişimi elde etmesini sağlamıştır. Ayrıca çift plakalı sistemlerde parçacık kirliliği yaklaşık %50 oranında azaltıldı, bakım kesintileri %30 oranında kısaltıldı ve sıcaklık değişimi ±5°C dahilinde kontrol edildi.

Üç Temel Sonuç

1. Simülasyon + Makine Öğrenimi, Termal Alan Optimizasyonu için Ana Yöntem Haline Geldi: Termo-akışkan-kimyasal alanı CFD/FEM aracılığıyla birleştirerek ve bunu ACO-BPNN veya MOPSO/NSGA-II ile birleştirerek, optimum Pareto parametreleri (geleneksel deneme yanılma yerine) haftalar içinde bulunabilir, bu da kalınlık/katkılama tekdüzeliğini %30'dan fazla önemli ölçüde artırır ve deneysel maliyetleri azaltır. Bu, 8-12 inçlik SiC'nin büyük ölçekli epitaksiyel büyümesi için önemli bir araçtır.

2. Yalıtım Keçesi İçerisindeki Gaz Fazının (H₂ Basıncı/Kompozisyonu) Görünen Isı İletkenliği Üzerindeki Etkisi Göz ardı Edilemez: Yüksek H₂ sıcaklıklarında, gaz fazı ısı transferi baskındır ve basınç/öncü akış hızındaki değişiklikler, reaktörün genel sıcaklık dağılımını değiştirecektir. En yeni analitik modeller, termal şöminelerde yüksek verimliliğin, enerji tasarrufunun ve homojenliğin özü olan doğru güç tahmini ve kapalı döngü termal alan kontrolünü elde etmek için doğrudan CFD'ye gömülebilir.

3. Daha büyük boyutlara (8-12 inç) geçiş, yapısal yenilik gerektirir: Evsel ekipman, dikey bölünmüş hava girişi, çok bölgeli sıcaklık kontrolü ve sensör optimizasyonu yoluyla levha yüzey sıcaklığına ≤ ±0,5°C ve çift levha sıcaklık farkına ≤ 5°C ulaştı. Kalınlık/doping tekdüzeliği uluslararası lider seviyeye ulaşmış olup, doğrudan maliyetlerin azaltılmasını ve üretim kapasitesinin iki katına çıkarılmasını desteklemektedir. Yatay sıcak duvar + dönen askı hala ana akımdır ve belirgin bir tartışma yoktur.

Semicorex yüksek kalite sunuyorepitaksiyel süreçteki bileşenler. Herhangi bir sorunuz varsa veya ek ayrıntılara ihtiyacınız varsa, lütfen bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.

İletişim telefonu numarası +86-13567891907

E-posta: sales@semicorex.com