徐同洋、劉子瑜 / 工研院材化所
碳化矽(Silicon Carbide; SiC)因具備高擊穿電場、高熱導率與高溫操作能力，已成為電動車、再生能源與高功率元件的重要材料，其單晶基板多仰賴物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport; PVT)生長。然而，PVT長晶爐內部環境高溫且密閉，製程過程如同黑盒子，難以直接觀測熱場與氣相分布，因此製程優化常需仰賴大量試誤與長時間模擬，研發效率受限。本文以COMSOL Multiphysics®建立SiC PVT長晶爐多物理場模型，聚焦電磁加熱、熱傳導、熱輻射與多孔介質氣相傳輸等機制，並結合拉丁超立方抽樣與代理模型進行快速預測。透過此流程，可將原本需耗費數小時至數天的高精度模擬縮短為秒級輸出，協助工程師快速探索參數組合、評估製程風險並進行條件最佳化。此一方法可作為建構虛擬實驗室的基礎，進一步支援SiC晶體生長的數位轉型與研發加速。
【內文精選】
PVT製程中的多物理場機制
碳化矽(SiC)的生長過程，本質上是一個同時涉及電磁場、熱傳、流體力學與化學反應動力學的「強耦合多物理場系統」。基本結構可參考圖一，此圖呈現了物理氣相傳輸法(PVT)長晶系統的3D剖視結構。透過感應線圈加熱石墨坩堝，促使底部粉體昇華至頂部晶種結晶，並利用石墨氈與冷卻夾套維持精確的溫度梯度。同時，分佈於頂部與底部的測溫點確保了製程監控的數據完整性。要在數值軟體中精準重現這個過程，必須先把這些複雜的物理行為，轉換成可計算的數學模型與邊界條件。
圖一、PVT碳化矽長晶爐結構示意圖
在COMSOL Multiphysics®當中，模型至少會同時使用下列模組：交流/直流模組(AC/DC)、計算流體力學模組(CFD)、熱傳模組(Heat Transfer)、化學反應工程模組(Chemical Reaction Engineering)，以及多孔介質流模組(Porous Media Flow)。這些模組會整合在同一個數值求解框架裡，形成一個規模龐大的偏微分方程系統。以下將分別說明各個物理面向與其在長晶製程中的角色，並在後段以實際的溫度分布結果，展示模擬技術的應用價值。
1.電磁感應加熱與極端熱場的非線性
在商用長晶爐中，非接觸式高頻電磁感應加熱是主要的熱源。當外部銅線圈通入高頻交流電時，會在周遭空間激發強烈的交變磁場，磁場穿透真空爐體與保溫層，在導電性佳的高純度石墨坩堝內壁誘發渦電流，進而產生焦耳熱。這些熱能接著透過固體熱傳導，向坩堝內外擴散，形塑出整體的高溫熱場分布。
問題在於，一旦溫度跨入2,000℃以上的極端高溫區間，材料的物性便不再是「常數」。以石墨與保溫氈為例，其導熱係數與熱容都會隨溫度產生明顯的非線性變化，使得熱場控制變得更加敏感與困難。因此在COMSOL Multiphysics®模型中，相關材料的熱物性參數都需要設定成隨溫度變動的函數，以確保高溫熱場的預測仍保有足夠的物理可信度---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》474期，更多資料請見下方附檔。