Optimering av termisk fältdesign för SiC epitaxial ugn (hot-wall CVD reaktor)

Kärnmålet är att uppnå enhetlighet för skivytans temperatur (≤±0,5–5 ℃) och temperatur/flödesfältstabilitet, och därigenom förbättra likformigheten i epitaxiell skikttjocklek (<3%), dopningslikformighet (<8%), minska defektdensiteten och öka tillväxthastigheten (>60 μm/h).

De senaste framstegen inom SiC-epitaxprocessoptimering har fokuserat på termisk hantering, multiparameteroptimering, AI-assisterad simulering, gasflödesreglering och uppgraderingar av reaktorstrukturer. Dessa utvecklingar syftar till att förbättra epitaxialskiktets enhetlighet, tillväxteffektivitet, defektkontroll och industriell skalbarhet för stora wafer.

Termisk konduktivitetsmodellering av isoleringsmaterial

En viktig forskningsinriktning är termisk konduktivitetsmodellering av fibrös grafitfilt som används i epitaxireaktorer. Avancerade analytiska modeller har utvecklats för att utvärdera den skenbara värmeledningsförmågan samtidigt som gassammansättning, kammartryck och driftstemperatur beaktas. Under väterika bärgasförhållanden blir värmeöverföring i gasfas den dominerande värmeöverföringsmekanismen. Studier visar att en minskning av kammartrycket från 100 mbar till 1,5 mbar avsevärt minskar den erforderliga värmeeffekten. Dessa modeller möjliggör också mer exakt förutsägelse av temperaturfördelning i olika reaktorregioner, vilket hjälper till att förhindra ojämnhet av deponering som orsakas av temperaturvariationer utanför skivområdet även när substrattemperaturen förblir konstant.

Parameteroptimering med flera mål med hjälp av FEM och maskininlärning

Ett annat stort genombrott kombinerar finita elementmodellering (FEM) med maskininlärningsalgoritmer för multi-objektiv optimering. Viktiga processparametrar inkluderar total gasflödeshastighet, tillväxttemperatur, kammartryck, susceptorrotationshastighet och gasdistributionsdesign. Optimeringsmetoder som MOPSO, NSGA-II och SVM surrogatmodeller har använts i stor utsträckning. Resultaten visar att tjocklekens enhetlighet kan förbättras med cirka 30 %, medan Pareto-frontoptimering uppnår både höga tillväxthastigheter och låg variationskoefficient samtidigt. Optimala processfönster finns vanligtvis vid tillväxttemperaturer på 1450–1500°C, kammartryck på 80–100 mbar, susceptorrotationshastigheter över 60 rpm och asymmetriska gasinloppsförhållanden som 5:16:5.

Transient Multiphysics Simulering kombinerat med maskininlärning

Nyligen genomförda studier integrerar också övergående CFD-simuleringar med maskininlärningstekniker för att påskynda processoptimering. Termiskt flöde-kemiskt kopplade CFD-modeller kombinerade med ACO-BPNN neurala nätverk används för att optimera deponeringstemperatur, inloppsgasflöde, rotationshastighet och kammartryck. Experimentell validering visar utmärkt överensstämmelse mellan simulering och praktiska resultat, med prediktionsavvikelser på endast 4,03 % för tillväxthastighet och 0,49 % för enhetlighet. Detta tillvägagångssätt förkortar utvecklings- och optimeringscyklerna avsevärt och är särskilt lämpligt för horisontella varmväggiga CVD-reaktorer.

Optimering av gasflöde och temperaturfält

Optimering av gasflöde och termisk fältfördelning är fortfarande avgörande för högkvalitativ SiC-epitaxväxt. Under optimerade förhållanden, inklusive en H₂-flödeshastighet på 100 slm, flödesdelningsförhållande på 20:60:20 (sida:center:sida), C/Si-förhållande på 0,95, tillväxttemperatur på 1610°C och susceptorrotation, uppnådde forskarna ett mycket stabilt parallellt flödesfält och enhetlig temperaturfördelning. Skivans yttemperaturgradient reducerades till endast 19,3°C. Dessutom nådde kvävedopningslikformigheten 3,35–4,85 %, medan kristalldefekter reducerades signifikant till 28 totala defekter, inklusive endast 8 triangulära defekter och 6 basalplansdislokationer (BPD).

Utrustningsstruktur Iteration och industrialisering

Uppgraderingar av reaktorer i industriell skala mellan 2023 och 2026 fokuserar huvudsakligen på vertikala delade gasinjektionssystem, induktionsuppvärmning i flera zoner, kompatibilitet med både enkelskiva och dubbla waferkonfigurationer för 6–12 tums wafers och grafitkomponentomformning med automatiskt förebyggande underhåll (PM). Dessa strukturella förbättringar har möjliggjort 8-tums och 12-tums SiC-epitaxiprocesser för att uppnå ojämnhet i tjocklek under 3 % och dopningsvariation under 8 %. Dessutom har partikelföroreningen minskat med cirka 50 %, underhållsavbrottstiden förkortats med 30 % och temperaturvariationen kontrolleras inom ±5°C i system med dubbla skivor.

Tre viktiga slutsatser

1. Simulering + maskininlärning har blivit den vanliga metoden för termisk fältoptimering: Genom att koppla det termo-vätske-kemiska fältet genom CFD/FEM och kombinera det med ACO-BPNN eller MOPSO/NSGA-II, kan de optimala Pareto-parametrarna hittas inom några veckor (snarare än traditionell trial and error genom att avsevärt förbättra tjockleken/reducera 30 % av tjockleken) experimentella kostnader. Detta är ett viktigt verktyg för den storskaliga epitaxiella tillväxten av 8–12-tums SiC.

2. Inverkan av gasfasen (H₂-tryck/sammansättning) inuti isoleringsfilten på den skenbara värmeledningsförmågan kan inte ignoreras: Vid höga H₂-temperaturer är gasfasvärmeöverföringen dominerande, och förändringar i tryck/prekursorflödeshastighet kommer att förändra reaktorns totala temperaturfördelning. De senaste analytiska modellerna kan bäddas in direkt i CFD för att uppnå exakt effektförutsägelse och termisk fältkontroll med sluten slinga, vilket är kärnan i hög effektivitet, energibesparing och enhetlighet i termiska eldstäder.

3. Övergång till större storlekar (8–12 tum) kräver strukturell innovation: Hushållsutrustning har uppnått waferyttemperatur ≤ ±0,5 ℃ och dubbelwafer-temperaturskillnad ≤ 5 ℃ genom vertikalt delat luftintag, flerzonstemperaturkontroll och susceptoroptimering. Enhetlighet i tjocklek/doping har nått den internationella ledande nivån, vilket direkt stöder kostnadsminskning och fördubbling av produktionskapacitet. Horisontell hotwall + roterande susceptor är fortfarande mainstream och det finns ingen uppenbar kontrovers.

Semicorex erbjuder hög kvalitetkomponenter i epitaxiell process. Om du har några frågor eller behöver ytterligare information, tveka inte att kontakta oss.

Kontakta telefonnummer +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com