孫嘉呈、郭珈延、鄭瑞翔、吳金寶、李壽南 / 工研院材化所
隨著化合物半導體的逐漸興起，SiC載盤製程相關設備需求亦日漸增加，面對SiC載盤CVD製程所產生的尾氣，如：含氯的酸性氣體、氫氣(H2)、甲烷(CH4)等，目前傳統的氣體處理設備皆使用高溫燃燒的方式來提升設備對於尾氣的處理效率，然而卻會產生大量的二氧化碳與氮氧化物(NOx)排放。在本文中將使用吸附材與觸媒等低碳處理方式，對SiC載盤CVD製程所產生的尾氣進行處理，並利用吸附材的吸附容量、製程氣體濃度、設備處理風量與氣體流經腔體的時間作為設計因子，建置新型尾氣處理設備原型機，有效處理危害性製程尾氣，更進一步達成產業供應鏈減碳之要求。
【內文精選】
碳化矽(SiC)應用與CVD製程尾氣的產生
因應5G高頻或高功率晶片市場需求提升，國內化合物半導體廠商加速投入氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)產品開發，其中半導體SiC載盤全數為國外進口，廣泛來看SiC Coating之相關組件，於臺灣年需求達新台幣20億元以上。
碳化矽(SiC)載盤是以含氯的酸性氣體、CH4、H2等作為製程反應氣體，經由氣體管路加熱後再進入CVD腔體進行塗層，其CVD製程及尾氣排放程序如圖二所示。
圖二、SiC載盤CVD製程與尾氣排放程序
CVD製程及尾氣排放程序如圖二所示。圖二中，製程氣體經由系統管路進入SiC載盤製程設備中，在CVD反應腔體進行SiC塗層，沒有反應的製程氣體將會通過CVD製程反應腔體往後流。在圖二中，管路中的尾氣會先被抽引帶往沉澱腔，因為酸性氣體濃度較高，因此，在抽引的過程中，會加入水稀釋(圖二中③的部分)，再將酸性氣體抽至沉澱腔。而無法被水洗程序處理的製程殘氣如：CH4、H2等，將經由抽風管路帶往尾氣處理設備進行處理(圖二中⑤的部分)。
低碳尾氣處理技術材料開發
因應低碳製程發展趨勢，本技術以常溫吸附與低溫氧化的方式對SiC載盤製程尾氣進行處理，以吸附材對含氯的酸性氣體(RSiClx)進行常溫吸附，以觸媒對製程易燃氣體甲烷(CH4)、氫氣(H2)進行低溫氧化處理。
1. 關鍵材料技術研發–吸附材
(1) 實驗流程
因提高材料分散性與比表面積可有效增加材料處理容量，本團隊以氧化鈣(CaO)塗層於氧化鋁(Al2O3)載體作為試驗材料，並分析吸附材鍛燒合成溫度變化與含氯的酸性氣體吸附能力之間的關聯性，進而開發出處理效率優良的吸附材。
2. 關鍵材料技術研發–氧化觸媒
(1) 實驗流程
實驗以鍛燒溫度500˚C合成之熱觸媒作為測試材料，並評估數種載體與觸媒搭配對製程易燃氣體H2或CH4處理能力的差異，藉此篩選最適合作為原型機內熱觸媒的材料。
低碳尾氣處理技術設備原型機開發
將所開發含氯酸性氣體之吸附材及H2、CH4的觸媒置放入原型機中進行製程氣體低碳化處理。而原型機的設計包含製程氣體處理流程、機台規格、材料容積、結構設計等。其中，原型機的關鍵為材料，本團隊以吸附材的處理容量、觸媒的滯留時間等關鍵因子，推估材料容積作為原型機的設計基礎。
製程氣體處理設備原型機結構與氣體流程如圖十所示。為了防止酸性氣體進入到觸媒腔體，影響氧化觸媒材料的壽命，本次原型機設計預先以吸附材作為第一道工序，在常溫之下對含氯的酸性氣體進行吸附；第二道工序則是在觸媒載體進行H2與CH4的氧化，讓製程氣體通過加溫至590˚C裝有觸媒材料的腔體，進而對氣體進行處理，而氣體通過觸媒材料的時間稱之為滯留時間，滯留時間的長短將會影響H2與CH4的處理效率；最終，經由水洗將處理後的氣體冷卻後排至廠務端。
圖十、製程氣體處理設備原型機氣體處理流程規劃
設備原型機開發實場測試
1. 原型機氣密性測試
本文所開發的設備原型機於實際的SiC載盤CVD場域進行處理效率評估。由於原型機是經由吸附、觸媒、水洗冷卻等腔體以及管路所組合而成，組合的過程會因為腔體設計、零件加工、組裝等工作，進而產生誤差，可能會造成設備氣密性不足，導致設備入口風量與出口風量不同，進而發生處理效率不佳或誤判的狀況，因此，在進行原型機氣體處理效率測試前，會先進行原型機的氣密性測試 ---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》448期，更多資料請見下方附檔。