تحسين تصميم المجال الحراري للفرن الفوقي من كربيد السيليكون (مفاعل CVD ذو الجدار الساخن)

الهدف الأساسي هو تحقيق توحيد درجة حرارة سطح الرقاقة (±±0.5–5°C) واستقرار مجال درجة الحرارة/التدفق، وبالتالي تحسين توحيد سماكة الطبقة الفوقية (<3%)، وتوحيد المنشطات (<8%)، وتقليل كثافة العيوب، وزيادة معدل النمو (> 60 ميكرومتر/ساعة).

ركزت التطورات الحديثة في تحسين عملية الفوقية SiC على الإدارة الحرارية، وتحسين المعلمات المتعددة، والمحاكاة بمساعدة الذكاء الاصطناعي، وتنظيم تدفق الغاز، وتحديث هيكل المفاعل. تهدف هذه التطورات إلى تحسين توحيد الطبقة الفوقية، وكفاءة النمو، والتحكم في العيوب، وقابلية التوسع الصناعي للرقائق الكبيرة.

نمذجة التوصيل الحراري للمواد العازلة

أحد الاتجاهات البحثية المهمة هو نمذجة التوصيل الحراري للجرافيت الليفي المستخدم في المفاعلات الفوقية. تم تطوير نماذج تحليلية متقدمة لتقييم التوصيل الحراري الظاهري مع الأخذ في الاعتبار تكوين الغاز وضغط الغرفة ودرجة حرارة التشغيل. في ظل ظروف الغاز الحامل الغني بالهيدروجين، يصبح نقل الحرارة في الطور الغازي هو آلية نقل الحرارة السائدة. تشير الدراسات إلى أن تقليل ضغط الغرفة من 100 ملي بار إلى 1.5 ملي بار يقلل بشكل كبير من طاقة التسخين المطلوبة. تتيح هذه النماذج أيضًا تنبؤًا أكثر دقة لتوزيع درجة الحرارة في جميع أنحاء مناطق المفاعلات المختلفة، مما يساعد على منع عدم انتظام الترسب الناتج عن تغيرات درجات الحرارة خارج منطقة الرقاقة حتى عندما تظل درجة حرارة الركيزة ثابتة.

تحسين المعلمات متعددة الأهداف باستخدام FEM والتعلم الآلي

هناك إنجاز كبير آخر يجمع بين نمذجة العناصر المحدودة (FEM) وخوارزميات التعلم الآلي لتحسين الأهداف المتعددة. تتضمن معلمات العملية الرئيسية إجمالي معدل تدفق الغاز، ودرجة حرارة النمو، وضغط الغرفة، وسرعة دوران المستقبِل، وتصميم توزيع الغاز. لقد تم اعتماد أساليب التحسين مثل نماذج MOPSO وNSGA-II وSVM البديلة على نطاق واسع. أظهرت النتائج أنه يمكن تحسين تجانس السُمك بنسبة 30% تقريبًا، في حين يحقق تحسين Pareto-front معدلات نمو عالية ومعامل تباين منخفض في وقت واحد. توجد نوافذ العملية المثالية عادة عند درجات حرارة نمو تتراوح بين 1450-1500 درجة مئوية، وضغوط الغرفة من 80-100 ملي بار، وسرعات دوران المستقبِل أعلى من 60 دورة في الدقيقة، ونسب مدخل الغاز غير المتماثلة مثل 5:16:5.

محاكاة الفيزياء المتعددة العابرة مع التعلم الآلي

تدمج الدراسات الحديثة أيضًا عمليات محاكاة CFD العابرة مع تقنيات التعلم الآلي لتسريع تحسين العملية. تُستخدم نماذج CFD المقترنة بالتدفق الحراري والكيميائي جنبًا إلى جنب مع الشبكات العصبية ACO-BPNN لتحسين درجة حرارة الترسيب، وتدفق الغاز الداخل، وسرعة الدوران، وضغط الغرفة. يُظهر التحقق التجريبي اتفاقًا ممتازًا بين المحاكاة والنتائج العملية، مع انحرافات تنبؤية تبلغ 4.03% فقط لمعدل النمو و0.49% للتوحيد. يعمل هذا النهج على تقصير دورات التطوير والتحسين بشكل كبير وهو مناسب بشكل خاص لمفاعلات CVD ذات الجدار الساخن الأفقي.

تحسين تدفق الغاز ودرجة الحرارة الميدانية

يظل تحسين تدفق الغاز وتوزيع المجال الحراري أمرًا بالغ الأهمية لنمو طبقة SiC عالية الجودة. في ظل الظروف المحسنة، بما في ذلك معدل تدفق H₂ يبلغ 100 ميكرومتر، ونسبة انقسام التدفق البالغة 20:60:20 (الجانب: المركز: الجانب)، ونسبة C/Si البالغة 0.95، ودرجة حرارة النمو البالغة 1610 درجة مئوية، والدوران المستقبِل، حقق الباحثون مجال تدفق موازيًا عالي الاستقرار وتوزيعًا موحدًا لدرجة الحرارة. تم تقليل تدرج درجة حرارة سطح الرقاقة إلى 19.3 درجة مئوية فقط. بالإضافة إلى ذلك، وصل انتظام المنشطات النيتروجينية إلى 3.35-4.85%، في حين تم تقليل العيوب البلورية بشكل كبير إلى 28 عيبًا إجماليًا، بما في ذلك 8 عيوب مثلثية فقط و6 حالات خلع في المستوى القاعدي (BPDs).

تكرار هيكل المعدات والتصنيع

تركز تحديثات المفاعلات على المستوى الصناعي بين عامي 2023 و2026 بشكل أساسي على أنظمة حقن الغاز المنفصل عموديًا، والتسخين التعريفي متعدد المناطق، والتوافق مع تكوينات الرقاقة المفردة والرقاقة المزدوجة للرقائق مقاس 6-12 بوصة، وإعادة تصميم مكونات الجرافيت مع الصيانة الوقائية الآلية (PM). مكنت هذه التحسينات الهيكلية عمليات 8 بوصة و12 بوصة من SiC من تحقيق عدم انتظام السُمك أقل من 3% وتباين المنشطات أقل من 8%. علاوة على ذلك، تم تقليل تلوث الجسيمات بنسبة 50% تقريبًا، وتقصير وقت توقف الصيانة بنسبة 30%، والتحكم في تغير درجة الحرارة ضمن ±5 درجة مئوية في أنظمة الرقاقة المزدوجة.

ثلاثة استنتاجات رئيسية

1. أصبحت المحاكاة + التعلم الآلي هي الطريقة السائدة لتحسين المجال الحراري: من خلال اقتران المجال الكيميائي للسوائل الحرارية من خلال CFD/FEM، ودمجه مع ACO-BPNN أو MOPSO/NSGA-II، يمكن العثور على معلمات Pareto المثالية في غضون أسابيع (بدلاً من التجربة والخطأ التقليديين)، مما يحسن بشكل كبير تجانس السُمك/المنشطات بأكثر من 30% ويقلل التكاليف التجريبية. هذه أداة أساسية للنمو الفوقي واسع النطاق لـ 8-12 بوصة من SiC.

2. لا يمكن تجاهل تأثير مرحلة الغاز (ضغط/تركيب H₂) داخل لباد العزل على الموصلية الحرارية الظاهرة: عند درجات حرارة H₂ العالية، يكون انتقال حرارة الطور الغازي هو السائد، وستؤدي التغيرات في الضغط/معدل تدفق السلائف إلى تغيير توزيع درجة الحرارة الإجمالية للمفاعل. يمكن دمج أحدث النماذج التحليلية مباشرة في CFD لتحقيق تنبؤ دقيق للطاقة والتحكم في المجال الحراري ذو الحلقة المغلقة، وهو جوهر الكفاءة العالية وتوفير الطاقة والتوحيد في المواقد الحرارية.

3. يتطلب الانتقال إلى أحجام أكبر (8-12 بوصة) ابتكارًا هيكليًا: حققت المعدات المحلية درجة حرارة سطح الرقاقة ≥ ± 0.5 درجة مئوية وفرق درجة حرارة الرقاقة المزدوجة ≥ 5 درجة مئوية من خلال مدخل الهواء المنفصل العمودي، والتحكم في درجة الحرارة متعددة المناطق، وتحسين المستقبِل. لقد وصل توحيد السماكة/المنشطات إلى المستوى الرائد عالميًا، مما يدعم بشكل مباشر خفض التكلفة ومضاعفة القدرة الإنتاجية. لا يزال الجدار الساخن الأفقي + المستشعر الدوار هو السائد ولا يوجد جدل واضح.

تقدم Semicorex جودة عاليةالمكونات في العملية الفوقي. إذا كانت لديك أي استفسارات أو كنت بحاجة إلى تفاصيل إضافية، فلا تتردد في الاتصال بنا.

هاتف الاتصال رقم +86-13567891907

البريد الإلكتروني: sales@semicorex.com