Tối ưu hóa thiết kế trường nhiệt cho lò epiticular SiC (lò phản ứng CVD vách nóng)

Mục tiêu cốt lõi là đạt được độ đồng đều nhiệt độ bề mặt wafer (≤±0,5–5oC) và độ ổn định trường nhiệt độ/dòng chảy, từ đó cải thiện độ đồng đều độ dày lớp epiticular (<3%), độ đồng đều pha tạp (<8%), giảm mật độ khuyết tật và tăng tốc độ tăng trưởng (> 60 μm/h).

Những tiến bộ gần đây trong tối ưu hóa quy trình epit Wax SiC đã tập trung vào quản lý nhiệt, tối ưu hóa đa thông số, mô phỏng được hỗ trợ bởi AI, điều chỉnh dòng khí và nâng cấp cấu trúc lò phản ứng. Những phát triển này nhằm mục đích cải thiện tính đồng nhất của lớp epiticular, hiệu quả tăng trưởng, kiểm soát lỗi và khả năng mở rộng công nghiệp tấm wafer lớn.

Mô hình hóa độ dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt

Một hướng nghiên cứu quan trọng là mô hình hóa độ dẫn nhiệt của nỉ than chì dạng sợi được sử dụng trong lò phản ứng epitaxy. Các mô hình phân tích tiên tiến đã được phát triển để đánh giá độ dẫn nhiệt biểu kiến ​​đồng thời xem xét thành phần khí, áp suất buồng và nhiệt độ vận hành. Trong điều kiện khí mang giàu hydro, quá trình truyền nhiệt ở pha khí trở thành cơ chế truyền nhiệt chiếm ưu thế. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc giảm áp suất buồng từ 100 mbar xuống 1,5 mbar làm giảm đáng kể công suất sưởi cần thiết. Những mô hình này cũng cho phép dự đoán chính xác hơn sự phân bổ nhiệt độ trên các khu vực lò phản ứng khác nhau, giúp ngăn ngừa sự lắng đọng không đồng đều do sự thay đổi nhiệt độ bên ngoài khu vực tấm bán dẫn ngay cả khi nhiệt độ bề mặt không đổi.

Tối ưu hóa tham số đa mục tiêu bằng FEM và Machine Learning

Một bước đột phá lớn khác là kết hợp mô hình phần tử hữu hạn (FEM) với các thuật toán học máy để tối ưu hóa đa mục tiêu. Các thông số quy trình chính bao gồm tổng tốc độ dòng khí, nhiệt độ tăng trưởng, áp suất buồng, tốc độ quay của chất nhạy và thiết kế phân phối khí. Các phương pháp tối ưu hóa như mô hình thay thế MOPSO, NSGA-II và SVM đã được áp dụng rộng rãi. Kết quả chứng minh rằng độ đồng đều về độ dày có thể được cải thiện khoảng 30%, trong khi tối ưu hóa mặt trước Pareto đạt được đồng thời cả tốc độ tăng trưởng cao và hệ số biến đổi thấp. Cửa sổ quy trình tối ưu thường được tìm thấy ở nhiệt độ tăng trưởng 1450–1500°C, áp suất buồng 80–100 mbar, tốc độ quay cảm biến trên 60 vòng/phút và tỷ lệ khí vào không đối xứng như 5:16:5.

Mô phỏng đa vật lý nhất thời kết hợp với học máy

Các nghiên cứu gần đây cũng tích hợp mô phỏng CFD nhất thời với các kỹ thuật học máy để tăng tốc tối ưu hóa quy trình. Các mô hình CFD kết hợp dòng nhiệt-hóa học kết hợp với mạng thần kinh ACO-BPNN được sử dụng để tối ưu hóa nhiệt độ lắng đọng, lưu lượng khí đầu vào, tốc độ quay và áp suất buồng. Xác thực thử nghiệm cho thấy sự phù hợp tuyệt vời giữa kết quả mô phỏng và thực tế, với độ lệch dự đoán chỉ 4,03% đối với tốc độ tăng trưởng và 0,49% đối với độ đồng đều. Cách tiếp cận này rút ngắn đáng kể chu trình phát triển và tối ưu hóa và đặc biệt phù hợp với các lò phản ứng CVD vách nóng nằm ngang.

Tối ưu hóa dòng khí và nhiệt độ

Tối ưu hóa phân phối dòng khí và trường nhiệt vẫn rất quan trọng để tăng trưởng epit Wax SiC chất lượng cao. Trong các điều kiện được tối ưu hóa, bao gồm tốc độ dòng H₂ là 100 slm, tỷ lệ phân chia dòng chảy là 20:60:20 (cạnh:trung tâm:cạnh), tỷ lệ C/Si là 0,95, nhiệt độ tăng trưởng là 1610°C và khả năng quay của chất nhạy, các nhà nghiên cứu đã đạt được trường dòng chảy song song rất ổn định và phân bố nhiệt độ đồng đều. Độ dốc nhiệt độ bề mặt wafer giảm xuống chỉ còn 19,3°C. Ngoài ra, độ đồng đều doping nitơ đạt 3,35–4,85%, trong khi các khuyết tật tinh thể giảm đáng kể xuống còn 28 khuyết tật tổng cộng, chỉ bao gồm 8 khuyết tật hình tam giác và 6 sai lệch mặt phẳng cơ bản (BPD).

Lặp lại cấu trúc thiết bị và công nghiệp hóa

Việc nâng cấp lò phản ứng quy mô công nghiệp từ năm 2023 đến năm 2026 chủ yếu tập trung vào hệ thống phun khí phân chia dọc, gia nhiệt cảm ứng đa vùng, khả năng tương thích với cả cấu hình tấm wafer đơn và tấm wafer kép cho các tấm wafer 6–12 inch và thiết kế lại thành phần than chì với bảo trì phòng ngừa tự động (PM). Những cải tiến về cấu trúc này đã cho phép quy trình epit Wax SiC 8 inch và 12 inch đạt được độ không đồng đều về độ dày dưới 3% và độ biến thiên doping dưới 8%. Hơn nữa, ô nhiễm hạt đã giảm khoảng 50%, thời gian dừng bảo trì được rút ngắn 30% và sự thay đổi nhiệt độ được kiểm soát trong phạm vi ±5°C trong hệ thống tấm wafer kép.

Ba kết luận chính

1. Mô phỏng + Học máy đã trở thành phương pháp chủ đạo để tối ưu hóa trường nhiệt: Bằng cách kết hợp trường nhiệt-chất lỏng-hóa học thông qua CFD/FEM và kết hợp nó với ACO-BPNN hoặc MOPSO/NSGA-II, có thể tìm thấy các thông số Pareto tối ưu trong vòng vài tuần (thay vì thử và sai truyền thống), cải thiện đáng kể độ đồng đều độ dày/pha tạp hơn 30% và giảm chi phí thử nghiệm. Đây là một công cụ thiết yếu cho sự phát triển epiticular quy mô lớn của SiC 8–12 inch.

2. Không thể bỏ qua ảnh hưởng của pha khí (Áp suất H₂/Thành phần) bên trong lớp nỉ cách nhiệt đến độ dẫn nhiệt biểu kiến: Ở nhiệt độ H₂ cao, quá trình truyền nhiệt ở pha khí chiếm ưu thế và những thay đổi về áp suất/tốc độ dòng tiền chất sẽ làm thay đổi sự phân bố nhiệt độ tổng thể của lò phản ứng. Các mô hình phân tích mới nhất có thể được nhúng trực tiếp vào CFD để đạt được dự đoán công suất chính xác và kiểm soát trường nhiệt vòng kín, vốn là cốt lõi của hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và tính đồng nhất trong lò sưởi nhiệt.

3. Việc chuyển đổi sang kích thước lớn hơn (8–12 inch) đòi hỏi phải đổi mới về cấu trúc: Thiết bị trong nước đã đạt được nhiệt độ bề mặt tấm bán dẫn ≤ ±0,5oC và chênh lệch nhiệt độ của tấm bán dẫn kép ≤ 5oC thông qua lượng khí nạp phân chia theo chiều dọc, kiểm soát nhiệt độ đa vùng và tối ưu hóa bộ cảm biến. Độ đồng đều về độ dày/doping đã đạt đến đẳng cấp quốc tế hàng đầu, trực tiếp hỗ trợ giảm chi phí và tăng gấp đôi năng lực sản xuất. Tường nóng ngang + cảm biến xoay vẫn là xu hướng chủ đạo và không có gì phải bàn cãi.

Semicorex cung cấp chất lượng caocác thành phần trong quá trình epiticular. Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc hoặc cần thêm chi tiết, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Số điện thoại liên hệ +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com