Optimalisasi desain medan termal untuk tungku epitaksi SiC (reaktor CVD dinding panas)

Tujuan utamanya adalah untuk mencapai keseragaman suhu permukaan wafer (≤±0,5–5℃) dan stabilitas suhu/bidang aliran, sehingga meningkatkan keseragaman ketebalan lapisan epitaksi (<3%), keseragaman doping (<8%), mengurangi kepadatan cacat, dan meningkatkan laju pertumbuhan (>60 μm/jam).

Kemajuan terbaru dalam optimasi proses epitaksi SiC berfokus pada manajemen termal, optimasi multi-parameter, simulasi berbantuan AI, pengaturan aliran gas, dan peningkatan struktur reaktor. Perkembangan ini bertujuan untuk meningkatkan keseragaman lapisan epitaksi, efisiensi pertumbuhan, pengendalian cacat, dan skalabilitas industri wafer besar.

Pemodelan Konduktivitas Termal Bahan Isolasi

Salah satu arah penelitian penting adalah pemodelan konduktivitas termal dari grafit berserat yang digunakan dalam reaktor epitaksi. Model analitik tingkat lanjut telah dikembangkan untuk mengevaluasi konduktivitas termal sambil mempertimbangkan komposisi gas, tekanan ruang, dan suhu pengoperasian. Dalam kondisi gas pembawa yang kaya hidrogen, perpindahan panas fase gas menjadi mekanisme perpindahan panas yang dominan. Studi menunjukkan bahwa mengurangi tekanan ruang dari 100 mbar menjadi 1,5 mbar secara signifikan mengurangi daya pemanasan yang dibutuhkan. Model ini juga memungkinkan prediksi distribusi suhu yang lebih akurat di seluruh wilayah reaktor yang berbeda, membantu mencegah ketidakseragaman pengendapan yang disebabkan oleh variasi suhu di luar area wafer bahkan ketika suhu substrat tetap konstan.

Optimasi Parameter Multi-Tujuan Menggunakan FEM dan Machine Learning

Terobosan besar lainnya menggabungkan pemodelan elemen hingga (FEM) dengan algoritma pembelajaran mesin untuk optimasi multi-tujuan. Parameter proses utama meliputi laju aliran gas total, suhu pertumbuhan, tekanan ruang, kecepatan putaran suseptor, dan desain distribusi gas. Pendekatan optimasi seperti model pengganti MOPSO, NSGA-II, dan SVM telah diadopsi secara luas. Hasilnya menunjukkan bahwa keseragaman ketebalan dapat ditingkatkan sekitar 30%, sementara optimasi Pareto-front mencapai tingkat pertumbuhan yang tinggi dan koefisien variasi yang rendah secara bersamaan. Jendela proses yang optimal biasanya ditemukan pada suhu pertumbuhan 1450–1500°C, tekanan ruang 80–100 mbar, kecepatan putaran suseptor di atas 60 rpm, dan rasio saluran masuk gas asimetris seperti 5:16:5.

Simulasi Multifisika Transien Dikombinasikan dengan Pembelajaran Mesin

Studi terbaru juga mengintegrasikan simulasi CFD sementara dengan teknik pembelajaran mesin untuk mempercepat optimalisasi proses. Model CFD gabungan aliran termal-kimia yang dikombinasikan dengan jaringan saraf ACO-BPNN digunakan untuk mengoptimalkan suhu deposisi, aliran gas masuk, kecepatan rotasi, dan tekanan ruang. Validasi eksperimental menunjukkan kesesuaian yang sangat baik antara hasil simulasi dan praktik, dengan deviasi prediksi hanya 4,03% untuk tingkat pertumbuhan dan 0,49% untuk keseragaman. Pendekatan ini secara signifikan memperpendek siklus pengembangan dan optimasi dan sangat cocok untuk reaktor CVD dinding panas horizontal.

Optimalisasi Aliran Gas dan Temperatur Lapangan

Optimalisasi aliran gas dan distribusi medan termal tetap penting untuk pertumbuhan epitaksi SiC berkualitas tinggi. Dalam kondisi yang dioptimalkan, termasuk laju aliran H₂ 100 slm, rasio pemisahan aliran 20:60:20 (sisi:tengah:samping), rasio C/Si 0,95, suhu pertumbuhan 1610°C, dan rotasi suseptor, para peneliti mencapai bidang aliran paralel yang sangat stabil dan distribusi suhu yang seragam. Gradien suhu permukaan wafer berkurang menjadi hanya 19,3°C. Selain itu, keseragaman doping nitrogen mencapai 3,35–4,85%, sedangkan cacat kristal berkurang secara signifikan menjadi 28 total cacat, termasuk hanya 8 cacat segitiga dan 6 dislokasi bidang basal (BPD).

Iterasi Struktur Peralatan dan Industrialisasi

Peningkatan reaktor skala industri antara tahun 2023 dan 2026 terutama berfokus pada sistem injeksi gas terpisah vertikal, pemanasan induksi multi-zona, kompatibilitas dengan konfigurasi wafer tunggal dan wafer ganda untuk wafer berukuran 6–12 inci, dan desain ulang komponen grafit dengan pemeliharaan preventif otomatis (PM). Perbaikan struktural ini memungkinkan proses epitaksi SiC 8 inci dan 12 inci mencapai ketidakseragaman ketebalan di bawah 3% dan variasi doping di bawah 8%. Selain itu, kontaminasi partikel telah berkurang sekitar 50%, waktu henti pemeliharaan dipersingkat sebesar 30%, dan variasi suhu dikontrol dalam ±5°C dalam sistem wafer ganda.

Tiga Kesimpulan Utama

1. Simulasi + Pembelajaran Mesin Telah Menjadi Metode Utama untuk Optimasi Medan Termal: Dengan menggabungkan bidang kimia termo-fluida melalui CFD/FEM, dan menggabungkannya dengan ACO-BPNN atau MOPSO/NSGA-II, parameter Pareto yang optimal dapat ditemukan dalam beberapa minggu (bukan coba-coba tradisional), yang secara signifikan meningkatkan keseragaman ketebalan/doping hingga lebih dari 30% dan mengurangi biaya eksperimen. Ini adalah alat penting untuk pertumbuhan epitaksi skala besar SiC 8–12 inci.

2. Pengaruh Fase Gas (Tekanan/Komposisi H₂) Di Dalam Bahan Insulasi terhadap Konduktivitas Termal yang Tampak Tidak Dapat Diabaikan: Pada suhu H₂ tinggi, perpindahan panas fase gas dominan, dan perubahan tekanan/laju aliran prekursor akan mengubah distribusi suhu reaktor secara keseluruhan. Model analitik terbaru dapat langsung ditanamkan ke dalam CFD untuk mencapai prediksi daya yang akurat dan kontrol medan termal loop tertutup, yang merupakan inti dari efisiensi tinggi, penghematan energi, dan keseragaman dalam perapian termal.

3. Transisi ke ukuran yang lebih besar (8–12 inci) memerlukan inovasi struktural: Peralatan rumah tangga telah mencapai suhu permukaan wafer ≤ ±0,5℃ dan perbedaan suhu wafer ganda ≤ 5℃ melalui asupan udara terpisah vertikal, kontrol suhu multi-zona, dan optimalisasi susceptor. Keseragaman ketebalan/doping telah mencapai tingkat terdepan internasional, yang secara langsung mendukung pengurangan biaya dan penggandaan kapasitas produksi. Hotwall horizontal + susceptor berputar masih menjadi arus utama dan tidak ada kontroversi yang jelas.

Semicorex menawarkan kualitas tinggikomponen dalam proses epitaksial. Jika Anda memiliki pertanyaan atau memerlukan detail tambahan, jangan ragu untuk menghubungi kami.

Hubungi telepon #+86-13567891907

Email: penjualan@semicorex.com