SiC एपिटैक्सियल फर्नेस (हॉट-वॉल सीवीडी रिएक्टर) के लिए थर्मल फील्ड डिजाइन का अनुकूलन

मुख्य उद्देश्य वेफर सतह तापमान एकरूपता (≤±0.5–5℃) और तापमान/प्रवाह क्षेत्र स्थिरता प्राप्त करना है, जिससे एपिटैक्सियल परत की मोटाई एकरूपता (<3%), डोपिंग एकरूपता (<8%), दोष घनत्व को कम करना और विकास दर (>60 μm/h) में सुधार करना है।

SiC एपिटैक्सी प्रक्रिया अनुकूलन में हाल की प्रगति ने थर्मल प्रबंधन, मल्टी-पैरामीटर अनुकूलन, एआई-सहायता सिमुलेशन, गैस-प्रवाह विनियमन और रिएक्टर संरचना उन्नयन पर ध्यान केंद्रित किया है। इन विकासों का उद्देश्य एपीटैक्सियल परत की एकरूपता, विकास दक्षता, दोष नियंत्रण और बड़े-वेफर औद्योगिक स्केलेबिलिटी में सुधार करना है।

इन्सुलेशन सामग्री की तापीय चालकता मॉडलिंग

एक महत्वपूर्ण अनुसंधान दिशा एपिटेक्सी रिएक्टरों में उपयोग किए जाने वाले रेशेदार ग्रेफाइट की तापीय चालकता मॉडलिंग है। गैस संरचना, चैम्बर दबाव और ऑपरेटिंग तापमान पर विचार करते समय स्पष्ट तापीय चालकता का मूल्यांकन करने के लिए उन्नत विश्लेषणात्मक मॉडल विकसित किए गए हैं। हाइड्रोजन-समृद्ध वाहक गैस स्थितियों के तहत, गैस-चरण गर्मी हस्तांतरण प्रमुख गर्मी-स्थानांतरण तंत्र बन जाता है। अध्ययनों से पता चलता है कि चैम्बर दबाव को 100 एमबार से 1.5 एमबार तक कम करने से आवश्यक ताप शक्ति काफी कम हो जाती है। ये मॉडल विभिन्न रिएक्टर क्षेत्रों में तापमान वितरण की अधिक सटीक भविष्यवाणी भी सक्षम करते हैं, जिससे सब्सट्रेट तापमान स्थिर रहने पर भी वेफर क्षेत्र के बाहर तापमान भिन्नता के कारण होने वाली गैर-एकरूपता को रोकने में मदद मिलती है।

एफईएम और मशीन लर्निंग का उपयोग करके बहुउद्देश्यीय पैरामीटर अनुकूलन

एक और बड़ी सफलता बहुउद्देश्यीय अनुकूलन के लिए मशीन लर्निंग एल्गोरिदम के साथ परिमित तत्व मॉडलिंग (एफईएम) को जोड़ती है। मुख्य प्रक्रिया मापदंडों में कुल गैस प्रवाह दर, विकास तापमान, चैम्बर दबाव, ससेप्टर रोटेशन गति और गैस वितरण डिजाइन शामिल हैं। एमओपीएसओ, एनएसजीए-II और एसवीएम सरोगेट मॉडल जैसे अनुकूलन दृष्टिकोण व्यापक रूप से अपनाए गए हैं। परिणाम दर्शाते हैं कि मोटाई की एकरूपता में लगभग 30% सुधार किया जा सकता है, जबकि पेरेटो-फ्रंट अनुकूलन उच्च विकास दर और भिन्नता के कम गुणांक दोनों को एक साथ प्राप्त करता है। इष्टतम प्रक्रिया विंडो आमतौर पर 1450-1500 डिग्री सेल्सियस के विकास तापमान, 80-100 एमबार के चैम्बर दबाव, 60 आरपीएम से ऊपर रिसेप्टर रोटेशन गति और 5:16:5 जैसे असममित गैस इनलेट अनुपात पर पाए जाते हैं।

मशीन लर्निंग के साथ संयुक्त क्षणिक बहुभौतिकी सिमुलेशन

हाल के अध्ययन प्रक्रिया अनुकूलन में तेजी लाने के लिए मशीन लर्निंग तकनीकों के साथ क्षणिक सीएफडी सिमुलेशन को भी एकीकृत करते हैं। एसीओ-बीपीएनएन तंत्रिका नेटवर्क के साथ संयुक्त थर्मल-फ्लो-रासायनिक युग्मित सीएफडी मॉडल का उपयोग जमाव तापमान, इनलेट गैस प्रवाह, रोटेशन गति और चैम्बर दबाव को अनुकूलित करने के लिए किया जाता है। प्रायोगिक सत्यापन सिमुलेशन और व्यावहारिक परिणामों के बीच उत्कृष्ट समझौते को दर्शाता है, जिसमें विकास दर के लिए केवल 4.03% और एकरूपता के लिए 0.49% की भविष्यवाणी विचलन है। यह दृष्टिकोण विकास और अनुकूलन चक्रों को महत्वपूर्ण रूप से छोटा करता है और क्षैतिज हॉट-वॉल सीवीडी रिएक्टरों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है।

गैस प्रवाह और तापमान क्षेत्र अनुकूलन

उच्च गुणवत्ता वाले SiC एपिटेक्सी विकास के लिए गैस-प्रवाह और थर्मल-क्षेत्र वितरण का अनुकूलन महत्वपूर्ण बना हुआ है। 100 एसएलएम की एच₂ प्रवाह दर, 20:60:20 का प्रवाह विभाजन अनुपात (साइड: सेंटर: साइड), 0.95 का सी/सी अनुपात, 1610 डिग्री सेल्सियस का विकास तापमान और रिसेप्टर रोटेशन सहित अनुकूलित परिस्थितियों में, शोधकर्ताओं ने एक अत्यधिक स्थिर समानांतर प्रवाह क्षेत्र और समान तापमान वितरण हासिल किया। वेफर सतह का तापमान प्रवणता केवल 19.3°C तक कम हो गया था। इसके अलावा, नाइट्रोजन डोपिंग एकरूपता 3.35-4.85% तक पहुंच गई, जबकि क्रिस्टल दोषों को 28 कुल दोषों तक कम कर दिया गया, जिसमें केवल 8 त्रिकोणीय दोष और 6 बेसल प्लेन डिस्लोकेशन (बीपीडी) शामिल थे।

उपकरण संरचना पुनरावृत्ति और औद्योगीकरण

2023 और 2026 के बीच औद्योगिक पैमाने पर रिएक्टर अपग्रेड मुख्य रूप से वर्टिकल स्प्लिट गैस इंजेक्शन सिस्टम, मल्टी-ज़ोन इंडक्शन हीटिंग, 6-12 इंच वेफर्स के लिए सिंगल-वेफर और डुअल-वेफर कॉन्फ़िगरेशन दोनों के साथ संगतता और स्वचालित निवारक रखरखाव (पीएम) के साथ ग्रेफाइट घटक रीडिज़ाइन पर केंद्रित है। इन संरचनात्मक सुधारों ने 8-इंच और 12-इंच SiC एपिटेक्सी प्रक्रियाओं को 3% से कम मोटाई की गैर-एकरूपता और 8% से कम डोपिंग भिन्नता प्राप्त करने में सक्षम बनाया है। इसके अलावा, कण संदूषण लगभग 50% कम हो गया है, रखरखाव डाउनटाइम 30% कम हो गया है, और दोहरे-वेफर सिस्टम में तापमान भिन्नता ±5 डिग्री सेल्सियस के भीतर नियंत्रित हो गई है।

तीन प्रमुख निष्कर्ष

1. सिमुलेशन + मशीन लर्निंग थर्मल फील्ड अनुकूलन के लिए मुख्य धारा बन गई है: सीएफडी/एफईएम के माध्यम से थर्मो-द्रव-रासायनिक क्षेत्र को युग्मित करके, और इसे एसीओ-बीपीएनएन या एमओपीएसओ/एनएसजीए-II के साथ जोड़कर, इष्टतम पेरेटो पैरामीटर हफ्तों के भीतर (पारंपरिक परीक्षण और त्रुटि के बजाय) पाया जा सकता है, जिससे मोटाई/डोपिंग एकरूपता में 30% से अधिक सुधार होता है और प्रयोगात्मक लागत कम हो जाती है। यह 8-12-इंच SiC के बड़े पैमाने पर एपिटैक्सियल विकास के लिए एक आवश्यक उपकरण है।

2. स्पष्ट थर्मल चालकता पर इन्सुलेशन के अंदर महसूस किए गए गैस चरण (एच₂ दबाव/संरचना) के प्रभाव को नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है: उच्च एच₂ तापमान पर, गैस चरण गर्मी हस्तांतरण प्रमुख है, और दबाव/अग्रगामी प्रवाह दर में परिवर्तन रिएक्टर के समग्र तापमान वितरण को बदल देगा। सटीक बिजली भविष्यवाणी और बंद-लूप थर्मल क्षेत्र नियंत्रण प्राप्त करने के लिए नवीनतम विश्लेषणात्मक मॉडल को सीधे सीएफडी में एम्बेड किया जा सकता है, जो थर्मल फायरप्लेस में उच्च दक्षता, ऊर्जा बचत और एकरूपता का मूल है।

3. बड़े आकार (8-12 इंच) में संक्रमण के लिए संरचनात्मक नवाचार की आवश्यकता होती है: घरेलू उपकरणों ने ऊर्ध्वाधर विभाजित वायु सेवन, मल्टी-ज़ोन तापमान नियंत्रण और ससेप्टर अनुकूलन के माध्यम से वेफर सतह तापमान ≤ ±0.5 ℃ और दोहरे-वेफर तापमान अंतर ≤ 5 ℃ हासिल किया है। मोटाई/डोपिंग एकरूपता अंतरराष्ट्रीय अग्रणी स्तर पर पहुंच गई है, जो सीधे लागत में कमी और उत्पादन क्षमता को दोगुना करने का समर्थन करती है। क्षैतिज हॉटवॉल + घूर्णन सूसेप्टर अभी भी मुख्यधारा है और कोई स्पष्ट विवाद नहीं है।

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