Optimering af termisk feltdesign til SiC epitaksial ovn (hot-wall CVD reaktor)

Kerneformålet er at opnå ensartethed af waferoverfladetemperatur (≤±0,5-5℃) og temperatur/flowfeltstabilitet, og derved forbedre epitaksial lagtykkelsesensartethed (<3%), dopingensartethed (<8%), reducere defektdensitet og øge væksthastigheden (>60 μm/h).

Nylige fremskridt inden for SiC-epitaksi-procesoptimering har fokuseret på termisk styring, optimering af flere parametre, AI-assisteret simulering, gasstrømsregulering og opgraderinger af reaktorstrukturer. Disse udviklinger har til formål at forbedre epitaksiallagets ensartethed, væksteffektivitet, defektkontrol og industriel skalerbarhed med store wafere.

Termisk ledningsevne modellering af isoleringsmaterialer

En vigtig forskningsretning er termisk konduktivitetsmodellering af fibrøst grafitfilt brugt i epitaksereaktorer. Avancerede analytiske modeller er blevet udviklet til at evaluere den tilsyneladende termiske ledningsevne under hensyntagen til gassammensætning, kammertryk og driftstemperatur. Under hydrogenrige bæregasforhold bliver varmeoverførsel i gasfase den dominerende varmeoverførselsmekanisme. Undersøgelser viser, at en reduktion af kammertrykket fra 100 mbar til 1,5 mbar reducerer den nødvendige varmeeffekt betydeligt. Disse modeller muliggør også mere nøjagtig forudsigelse af temperaturfordelingen gennem forskellige reaktorområder, hvilket hjælper med at forhindre uensartethed af afsætning forårsaget af temperaturvariationer uden for waferområdet, selv når substrattemperaturen forbliver konstant.

Multi-Objective Parameter Optimization ved hjælp af FEM og Machine Learning

Et andet stort gennembrud kombinerer finite element-modellering (FEM) med maskinlæringsalgoritmer til multi-objektiv optimering. Nøgleprocesparametre omfatter total gasstrømningshastighed, væksttemperatur, kammertryk, susceptorrotationshastighed og gasdistributionsdesign. Optimeringstilgange såsom MOPSO, NSGA-II og SVM surrogatmodeller er blevet bredt brugt. Resultater viser, at ensartet tykkelse kan forbedres med cirka 30 %, mens Pareto-front-optimering opnår både høje vækstrater og lav variationskoefficient samtidigt. Optimale procesvinduer findes typisk ved væksttemperaturer på 1450-1500°C, kammertryk på 80-100 mbar, susceptorrotationshastigheder over 60 rpm og asymmetriske gasindløbsforhold såsom 5:16:5.

Transient Multiphysics Simulering kombineret med Machine Learning

Nylige undersøgelser integrerer også forbigående CFD-simuleringer med maskinlæringsteknikker for at accelerere procesoptimering. Termisk-flow-kemisk koblede CFD-modeller kombineret med ACO-BPNN neurale netværk bruges til at optimere aflejringstemperatur, indløbsgasflow, rotationshastighed og kammertryk. Eksperimentel validering viser fremragende overensstemmelse mellem simulering og praktiske resultater, med forudsigelsesafvigelser på kun 4,03% for væksthastighed og 0,49% for ensartethed. Denne tilgang forkorter udviklings- og optimeringscyklusser markant og er særligt velegnet til vandrette CVD-reaktorer med varme vægge.

Optimering af gasflow og temperaturfelt

Optimering af gasflow og termisk feltfordeling er fortsat kritisk for højkvalitets SiC-epitaksivækst. Under optimerede forhold, herunder en H₂-flowhastighed på 100 slm, flow-split-forhold på 20:60:20 (side:center:side), C/Si-forhold på 0,95, væksttemperatur på 1610°C og susceptorrotation, opnåede forskere et meget stabilt parallelt flowfelt og ensartet temperaturfordeling. Waferoverfladetemperaturgradienten blev reduceret til kun 19,3°C. Derudover nåede nitrogen-dopingens ensartethed 3,35-4,85%, mens krystaldefekter blev signifikant reduceret til 28 totale defekter, inklusive kun 8 trekantede defekter og 6 basalplan dislokationer (BPD'er).

Udstyrsstruktur iteration og industrialisering

Reaktoropgraderinger i industriel skala mellem 2023 og 2026 fokuserer hovedsageligt på vertikalt opdelte gasinjektionssystemer, multi-zone induktionsopvarmning, kompatibilitet med både single-wafer og dual-wafer-konfigurationer for 6-12 tommer wafers og grafitkomponent-redesign med automatiseret forebyggende vedligeholdelse (PM). Disse strukturelle forbedringer har muliggjort 8-tommer og 12-tommer SiC-epitaksiprocesser for at opnå tykkelsesuensartethed under 3 % og dopingvariation under 8 %. Ydermere er partikelforurening reduceret med ca. 50 %, vedligeholdelsesnedetid forkortet med 30 %, og temperaturvariation kontrolleret inden for ±5°C i dual-wafer-systemer.

Tre nøglekonklusioner

1. Simulering + maskinlæring er blevet mainstream-metoden til termisk feltoptimering: Ved at koble det termo-fluid-kemiske felt gennem CFD/FEM og kombinere det med ACO-BPNN eller MOPSO/NSGA-II, kan de optimale Pareto-parametre findes inden for uger (i stedet for traditionel trial and error ved at forbedre 30% mere ensartet tykkelse og forbedre tykkelsen væsentligt) eksperimentelle omkostninger. Dette er et væsentligt værktøj til storstilet epitaksial vækst af 8-12-tommer SiC.

2. Påvirkningen af ​​gasfasen (H₂-tryk/sammensætning) inde i isolationsfilten på den tilsyneladende termiske ledningsevne kan ikke ignoreres: Ved høje H₂-temperaturer er gasfasevarmeoverførslen dominerende, og ændringer i tryk/precursorstrømningshastigheden vil ændre reaktorens samlede temperaturfordeling. De nyeste analytiske modeller kan indlejres direkte i CFD for at opnå nøjagtig effektforudsigelse og termisk feltkontrol med lukket sløjfe, som er kernen i høj effektivitet, energibesparelse og ensartethed i termiske pejse.

3. Overgang til større størrelser (8-12 tommer) kræver strukturel innovation: Husholdningsudstyr har opnået waferoverfladetemperatur ≤ ±0,5 ℃ og dobbeltwafer-temperaturforskel ≤ 5 ℃ gennem lodret opdelt luftindtag, multi-zone temperaturkontrol og susceptoroptimering. Ensartethed i tykkelse/doping har nået det internationale førende niveau, hvilket direkte understøtter omkostningsreduktion og fordobling af produktionskapaciteten. Horisontal hotwall + roterende susceptor er stadig mainstream, og der er ingen åbenlys kontrovers.

Semicorex tilbyder høj kvalitetkomponenter i epitaksial proces. Hvis du har spørgsmål eller brug for yderligere detaljer, så tøv ikke med at kontakte os.

Kontakt telefon # +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com