SiC 外延爐模塊化集成制造技術(shù)探索與研究

謝于柳，何遠湘，陳慶廣

( 中國電子科技集團公司第四十八研究所， 湖南 長沙 410111)

碳化硅（SiC）是一種具有廣泛應(yīng)用前景的半導(dǎo)體材料，其在高電壓、高功率、高溫等環(huán)境下表現(xiàn)更加出色，并且具有更低的導(dǎo)通和開關(guān)損失，因此在新能源汽車、光伏產(chǎn)業(yè)、高壓輸配線和智能電站等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用前景[1]。

碳化硅材料是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其耐高溫、耐高壓的特性特別適合制作大功率半導(dǎo)體器件。近年來，隨著SiC 器件生產(chǎn)工藝技術(shù)的突破，碳化硅器件得到了快速發(fā)展，其相關(guān)設(shè)備也在不斷開發(fā)并走向成熟[2]。SiC 外延爐是制備SiC 晶體材料的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備快速交貨能力將成為半導(dǎo)體工藝設(shè)備廠商競爭的優(yōu)勢。目前SiC 外延爐在制造過程中存在生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)成本高、過程質(zhì)量管控難度大、售后壓力大等問題。

本文旨在探索和研究SiC 外延爐的模塊化集成制造技術(shù)，通過制造過程的模塊化，從而降低制造成本，提高生產(chǎn)效率，解決目前SiC 外延爐制造中存在的問題，探索模塊化集成制造技術(shù)在SiC外延爐中的應(yīng)用，并最終推動SiC 外延爐工程化、批量化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

1 SiC 外延爐工作原理

SiC 外延生長爐是用于SiC 功率器件制造中外延材料制備的關(guān)鍵設(shè)備之一，基于化學(xué)氣相沉積原理，在單晶襯底上實現(xiàn)一定厚度和摻雜濃度的高質(zhì)量同質(zhì)SiC 外延材料生長。設(shè)備采用水平氣流單片式技術(shù)，反應(yīng)室設(shè)計為水平氣流單片式結(jié)構(gòu)，以線圈感應(yīng)加熱石墨反應(yīng)室的方式實現(xiàn)1 600 ℃以上的高溫加熱，以干泵、蝶閥、隔膜閥等實現(xiàn)反應(yīng)室低壓環(huán)境，TCS（三氯氫硅）、C2H4C3H8（乙烯丙烷）為生長源，N2（高純氮氣）、TMAl（三甲基鋁）為摻雜源，通過大流量H2攜載進入反應(yīng)室在SiC 襯底表面進行高質(zhì)量外延材料生長，同時設(shè)計耐高溫機械手及傳送機構(gòu)，實現(xiàn)900 ℃晶片全自動傳送。設(shè)備主要工作原理如圖1 所示。

圖1 SiC 外延生長爐工作原理

2 設(shè)備模塊的設(shè)計

設(shè)備整機采用柜式結(jié)構(gòu)，由反應(yīng)室與傳送腔組成，且傳送腔底部裝有自動運動系統(tǒng)，可實現(xiàn)傳送系統(tǒng)和反應(yīng)室的自動分離與合并。按功能組成主要分為：反應(yīng)室系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)。

2.1 反應(yīng)室系統(tǒng)

反應(yīng)室系統(tǒng)包括石英罩、感應(yīng)線圈、上游進氣裝置、生長室、抽氣筒等部件，反應(yīng)室整體采用耐高溫超純非金屬材料，基片承載等關(guān)鍵部件采用特種涂層材料或超高純石墨材料以降低超高溫下雜質(zhì)污染。

2.2 傳送系統(tǒng)

傳送系統(tǒng)通過傳送腔機械手完成載片盤的高溫自動傳輸，機械手第三節(jié)手臂端部采用高溫機械手指，可實現(xiàn)機械手在高溫工藝腔中的精確定位。在裝卸腔與傳送腔以及傳送腔與反應(yīng)腔之間都設(shè)有密封門閥。

2.3 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)分別為反應(yīng)室、傳送腔、裝卸腔建立潔凈環(huán)境，同時為反應(yīng)室提供所需要的工藝壓力。工藝真空系統(tǒng)采用大流量干泵，工藝壓力采用控制蝶閥閉環(huán)自動控制。真空系統(tǒng)設(shè)計多個旁路，通過壓差計控制隔膜閥和機械式爆破閥2 種方式來解決反應(yīng)室超壓導(dǎo)致的安全問題；同時配備必需的安全斷電保護、過載保護裝置。

2.4 氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)的主要功能是進行源氣體的精確混合與輸送，為反應(yīng)室提供SiC 外延生長工藝所需的各種氣體，包括C2H4、HCl、SiHCl3（TCS）、N2（n型摻雜）、TMAl（p 型摻雜），以及H2、Ar、N2等載氣。氣體進反應(yīng)室之前采用Run/Vent 快速切換系統(tǒng)，提高工藝的穩(wěn)定性。工藝氣體分別通過多路進入反應(yīng)室，通過靈活調(diào)節(jié)實現(xiàn)100 /150 mm（4∕6英寸）及n∕p 型摻雜工藝切換。

2.5 水路系統(tǒng)

水路系統(tǒng)用于設(shè)備加熱、密封部件的實時冷卻。干泵、感應(yīng)線圈、電源、匹配器、上下游環(huán)、抽氣管和下游密封門由水路系統(tǒng)進行冷卻。石英管單獨用內(nèi)循環(huán)冷水機進行冷卻并配備UPS 電源，保障設(shè)備在緊急斷電等極端情況下，石英管部分冷卻水的循環(huán)流動，防止高溫損壞石英管和反應(yīng)室。

2.6 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)為各硬件提供動力和控制硬件動作，同時配置1 臺UPS 電源，斷電情況下能給控制模塊、上位機、系統(tǒng)各類傳感器供電。電氣控制系統(tǒng)主要由上位機、PLC、傳感器、執(zhí)行器等組成。輸入信號有隔離、干擾措施，各執(zhí)行器動作有自鎖和互鎖防止誤動作措施。

2.7 軟件系統(tǒng)

設(shè)備控制系統(tǒng)軟件采用多窗口界面，全中文圖形化操作，實現(xiàn)工藝配方編輯、工藝自動運行、操作日志記錄、數(shù)據(jù)查詢分析以及故障報警與安全聯(lián)鎖等功能。

3 模塊化集成制造

3.1 模塊化集成制造技術(shù)

模塊化集成制造技術(shù)是在模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備制造工藝特點劃分成獨立的模塊化單元進行集成制造的一種生產(chǎn)技術(shù)，集零部件機械加工、安裝調(diào)試、模塊化交付。生產(chǎn)方式上由原來分散的多個供應(yīng)商供貨，集成到戰(zhàn)略供應(yīng)商供貨，將知識產(chǎn)權(quán)含量較低的密集型工作實施外包，縮短供應(yīng)鏈，降低制造成本、提高生產(chǎn)效率，同時向供應(yīng)鏈賦能，提升產(chǎn)品售后服務(wù)。

模塊化集成制造需要解決5 個方面的技術(shù)要求：（1）模塊化單元技術(shù)要求，模塊化單元技術(shù)圖紙包含機械加工圖紙及加工清單、電氣原理圖、接線圖及元器件清單；（2）模塊化單元物料采購要求，模塊化單元技術(shù)協(xié)議RFQ 文件、采購清單等；（3）裝調(diào)技術(shù)要求，裝調(diào)技術(shù)文件主要是該模塊的SOP文件及過程檢驗文件；（4）最終檢驗要求；（5）發(fā)貨要求。

3.2 模塊化集成制造實施方案

根據(jù)SiC 外延爐設(shè)備結(jié)構(gòu)特點劃分成傳輸柜模塊、反應(yīng)柜模塊、電控柜模塊、氣源柜模塊、總裝調(diào)模塊單元。除總裝調(diào)模塊外，其余4 個模塊外購集成，分部件、柜體及整機三級集成制造，實施方案如表1。

表1 模塊化集成制造實施方案

SiC 外延爐模塊化制造流程如圖2 所示。

圖2 模塊化集成流程圖

3.3 結(jié)果分析與討論

模塊化集成制造是利用現(xiàn)有技術(shù)和資源進行快速集成和組裝的制造方式，實施模塊化集成制造可以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3.1 模塊化集成制造對于生產(chǎn)效率的提高有顯著的效果

將設(shè)備加工制造、總裝、調(diào)試等涉及產(chǎn)品核心技術(shù)及產(chǎn)品工藝以外的模塊進行外包集成，模塊化集成后，裝調(diào)人員將由原來的10 人降低到3～5 人，設(shè)備裝調(diào)時間將由原來的30 天降低到20天左右，見表2。

表2 生產(chǎn)效率的提高

3.3.2 模塊化集成制造有效地降低生產(chǎn)成本

模塊化集成制造實施有效地利用供應(yīng)鏈在供應(yīng)渠道、技術(shù)、生產(chǎn)方面的優(yōu)勢，有效地降低生產(chǎn)成本；物料的申請采購數(shù)量將減少到10%，合同簽訂數(shù)量將減少到20%以內(nèi)，外延爐物料申請采購及合同簽訂情況如圖3 所示。

圖3 物料請購采購情況

供應(yīng)商數(shù)量減少到原來的20%，產(chǎn)品制造成本降低約5%，制造成本情況如圖4 所示。

圖4 外延爐制造成本情況

3.3.3 模塊化集成制造可以提高產(chǎn)品質(zhì)量

（1）標準化設(shè)計：模塊化集成制造將產(chǎn)品劃分為多個模塊，并進行標準化設(shè)計。有助于減少產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)過程中的錯誤和偏差，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）模塊測試與質(zhì)量控制：在模塊化集成制造過程中，每個模塊都可以進行獨立的測試和質(zhì)量控制。在模塊級別上檢測和排除潛在的問題和缺陷，確保每個模塊的質(zhì)量。同時，由于模塊是獨立制造和測試的，可以更容易地發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高產(chǎn)品的整體質(zhì)量。

（3）提供可追溯性：模塊化集成制造可以為每個模塊提供詳細的追溯性。每個模塊都可以有獨立的序列號和標識，可以追蹤到制造和組裝的詳細信息，這有助于快速發(fā)現(xiàn)和解決質(zhì)量問題，并提供改進和優(yōu)化的機會。

（4）優(yōu)化生產(chǎn)過程：模塊化集成制造可以通過優(yōu)化生產(chǎn)流程和工藝，進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過分析和改進每個模塊的制造和組裝過程，可以減少錯誤和缺陷的發(fā)生，從而提高產(chǎn)品的整體質(zhì)量。

總之，模塊化集成制造的實施可以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。然而，實施模塊化集成制造也面臨一些挑戰(zhàn)，例如過程管控技術(shù)難題、發(fā)貨交接、組織變革等。因此，在實施過程中需要充分評估和解決這些問題，確保實施的順利進行。

4 總結(jié)與展望

隨著SiC 材料的廣泛應(yīng)用和市場需求的增加，外延爐的生產(chǎn)和提供服務(wù)的需求將不斷增長。模塊化設(shè)計和制造技術(shù)可提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，并提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性，實現(xiàn)外延爐的快速組裝及市場交付，同時還可以滿足不同用戶的個性化需求。未來的研究重點將是進一步提高模塊化設(shè)計和制造技術(shù)的精度和可靠性，降低成本，提高生產(chǎn)效率和競爭力。