SiC功率器件产线从衬底长晶到外延、器件制造、封测,每个环节吃的气体品种不一样。大宗气占用量大头,特气决定工艺良率,两类气怎么协同供应,是新建SiC产线供气方案的核心。做方案的时候不能把大宗气和特气分开考虑,管路、储罐、纯化系统要整体规划。

大宗气部分先算用量。SiC长晶炉用氩气做保护气氛,长晶炉单炉耗氩量不小,几十台炉子同时开,日耗氩气按吨级算。氧气用于外延后氧化和清洗,氮气用于吹扫和保护。大宗气建议用现场制气加液态储罐组合,液氮、液氧、液氩用低温储罐储存,槽车定期补货。用量大的氮气可以考虑现场制氮机,变压吸附或者深冷制氮,纯度够长晶保护用。氩气因为现场制氩成本高,通常靠外购液氩储罐。大宗气纯度要求4N到5N足够,关键是露点要低,水分不能影响长晶。
特气部分跟着工艺走。外延工序用到硅烷、丙烷、乙烯,这些是SiC外延的前驱体。刻蚀工序用到六氟化硫、四氟化碳这类刻蚀气,三氯化硼也常用。离子注入用到磷烷和砷烷,氮气做载气。清洗用到三氟化氮。每种特气纯度要求5N到6N,杂质控制在ppb级。特气一般用钢瓶供气,装在特气间里,通过纯化器再加到使用点。剧毒特气比如磷烷砷烷,气瓶柜要带泄漏报警和排风联动,废气还要经过尾气处理装置。
供气方式按用量选。大宗气用量大、连续消耗,用管道从储罐区直接接到各用气车间。特气用量小、品种多,用钢瓶汇流排加自动切换系统,一瓶用完自动切到备用瓶,不影响生产。有些特气用量逐渐上来后,可以改用杜瓦罐或者小型现场纯化装置,降低换瓶频率。SiC产线还在扩产期,用量爬坡快,供气方案要留扩展余量,管路管径和储罐容量按两年后的用量设计,别刚建好就不够用。车间布局也要提前和气体系统供应商沟通,特气间靠近哪个车间、储罐区放在哪个方位,规划好了后面管道走线才短。
纯化和过滤不能省。大宗气从储罐到使用点,中间要经过主管路纯化器,把水分氧分压到ppb级。特气瓶出来先经过气瓶柜内置纯化器,再加一路到使用点终端纯化器。颗粒过滤器装在每个用气点前端,滤掉管路里带出来的颗粒。SiC外延对颗粒特别敏感,一个颗粒落在衬底上就是一个缺陷。管路材质要用电解抛光不锈钢,内壁粗糙度达到镜面级,焊接要全自动轨道焊,焊完做氦检漏。
安全和监控是底线。SiC用的硅烷自燃、磷烷砷烷剧毒,特气间要单独通风,泄漏报警联动紧急切断。大宗气储罐区要有防泄漏围堰和低温防护。整个气体系统装压力传感器和流量计,异常波动实时报警。SiC产线供气方案做完后,建议做一次HAZOP分析,把每个可能泄漏点和应急动作过一遍。新建厂把气体系统预算留足,后期改造管路的成本比一次做对高好几倍。大宗气保供应,特气保良率,两边协同好,整条线的用气成本和稳定性才能平衡。尾气处理也要在方案里预留位置,硅烷燃烧尾气和氟化物尾气处理方式不同,提前规划好过产后再补麻烦得多。
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