據(jù)日經(jīng)報(bào)道，日本名古屋大學(xué)的宇治原徹教授等人開(kāi)發(fā)出了利用人工智慧（AI）高精度制造新一代半導(dǎo)體使用的碳化硅（SiC）結(jié)晶的方法。這種方法能將結(jié)晶缺陷數(shù)量降至原來(lái)百分之一，提高了半導(dǎo)體生產(chǎn)的成品率。2021年6月成立的初創(chuàng)企業(yè)計(jì)劃2022年銷售樣品，2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
SiC與現(xiàn)在的主流半導(dǎo)體基板硅基板相比，節(jié)能性能更高。功率半導(dǎo)體是為實(shí)現(xiàn)脫碳社會(huì)有望普及的純電動(dòng)汽車（EV）及電力控制等不可或缺的元器件，SiC是功率半導(dǎo)體最合適的材料。
不過(guò)與硅相比，難以制造原子整齊排列的高品質(zhì)結(jié)晶。制造結(jié)晶時(shí)，有很多需要調(diào)整的地方。比如：溫度、作為材料的溶液的濃度以及機(jī)械的結(jié)構(gòu)等。難以找到良好的條件，確立將結(jié)晶尺寸增大到30厘米的技術(shù)用了幾十年。
研究團(tuán)隊(duì)利用AI優(yōu)化了多個(gè)項(xiàng)目。宇治原教授表示「讓AI學(xué)習(xí)模擬（模擬實(shí)驗(yàn)）結(jié)果，導(dǎo)出了最佳條件」。經(jīng)過(guò)4年的開(kāi)發(fā)，可以制造能產(chǎn)業(yè)利用的約15厘米的尺寸了。
試制的SiC結(jié)晶比現(xiàn)有結(jié)晶的缺陷數(shù)量大幅減少。宇治原教授表示「有缺陷的話，半導(dǎo)體的性能就不穩(wěn)定，成品率差」。宇治原教授成立了生產(chǎn)銷售SiC結(jié)晶的名古屋大學(xué)創(chuàng)辦的初創(chuàng)企業(yè)「UJ-Crystal」，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
采用SiC基板的半導(dǎo)體已在美國(guó)特斯拉部分主打純電動(dòng)汽車「Model 3」中負(fù)責(zé)馬達(dá)控制等的逆變器上采用。豐田也在2020年底推出的燃料電池車「MIRAI」的新款車上采用了電裝生產(chǎn)的SiC。
初次以外，日本還在SiC的其他方面取得突破
日本產(chǎn)業(yè)研究所：速度快12倍的拋光技術(shù)
在你今年八月，日本產(chǎn)業(yè)研究所表示，他們團(tuán)隊(duì)可以實(shí)現(xiàn)SiC晶圓的高速整平開(kāi)發(fā)封裝技術(shù)。特別是在低速的鏡面加工中，獲得了比以前快12倍的拋光速度。按照他們所說(shuō)，其建立了一種新的批量式加工技術(shù)，可與片式加工方法的鏡面磨削工藝相媲美。
報(bào)道指出，碳化硅晶圓極難加工。因?yàn)樗且环N硬而脆的材料。迄今為止，碳化硅鬼片的平整化都是通過(guò)研磨或拋光來(lái)進(jìn)行的。前者為單晶圓型，量產(chǎn)效率較差。后者是批處理類型，可以一次處理多張晶圓，但由于加工速度比硅片量產(chǎn)加工要慢，所以需要單位時(shí)間加工片數(shù)的6倍以上。SiC晶圓的直徑從6英寸增加到8英寸。未來(lái)，隨著市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，量產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，需要能夠更高效地生產(chǎn)碳化硅晶圓的加工技術(shù)。
用于壓平晶圓、包裹或以拋光為代表的拋光技術(shù)被稱為適合批量生產(chǎn)的批量加工技術(shù)。用于拋光高硬度碳化硅由于即使使用金剛石漿液（以下簡(jiǎn)稱“漿液”）拋光速度也不會(huì)增加，因此需要依靠單硅片加工直到鏡面加工（表面粗糙度Ra=1nm）。在拋光過(guò)程中，根據(jù)普雷斯頓的經(jīng)驗(yàn)法則，可以通過(guò)增加拋光平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度和加工壓力來(lái)提高拋光速度。但存在的問(wèn)題是，研磨液被平臺(tái)的離心力切割，摩擦熱難以繼續(xù)拋光，無(wú)法提高拋光速度。因此，我們?cè)噲D通過(guò)生產(chǎn)一種固定磨粒平臺(tái)來(lái)解決這些問(wèn)題，其中將金剛石磨石成型為平臺(tái)，并將其與高速拋光設(shè)備相結(jié)合。
圖2是碳化硅晶圓在各種拋光條件下的拋光速度對(duì)比圖。
在超過(guò)200rpm的平臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度下，使用金屬平臺(tái)和漿料的加工變得困難。另一方面，當(dāng)使用固定磨粒平臺(tái)時(shí)，確認(rèn)即使在700rpm下平臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度和拋光速度也是成比例的。這比使用漿料的典型加工條件（例如負(fù)載 200 g / cm 2，轉(zhuǎn)速：50 rpm）快約 12 倍，達(dá)到與傳統(tǒng)磨削相當(dāng)?shù)乃俣取?/p>
此外，高速拋光的 SiC 晶圓的 Ra 約為 0.5 nm，實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)鏡面研磨工藝相同的表面質(zhì)量。(圖 3) 從這些結(jié)果可以看出固定磨粒平臺(tái)和高速拋光裝置組合的優(yōu)越性。
此外，與使用漿料的拋光不同，由于僅使用水作為處理液，因此環(huán)境負(fù)荷小，并且通過(guò)控制供給的水量能夠在充分冷卻平臺(tái)的同時(shí)確保拋光效率的優(yōu)點(diǎn)也得到了證明。
使用平臺(tái)的拋光主要通過(guò)平臺(tái)的處理壓力和轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)控制處理速度，因此可以同時(shí)處理多個(gè)晶圓的批處理類型。圖4表示同時(shí)加工多個(gè)SiC晶圓時(shí)的平臺(tái)轉(zhuǎn)速與研磨速度的關(guān)系。確認(rèn)了即使晶圓數(shù)量增加和處理面積增加也可以保持拋光效率。通過(guò)增加每批處理的晶圓數(shù)量可以顯著縮短每個(gè)晶圓的處理時(shí)間。此外，通過(guò)使用抑制磨損的高硬度磨石，與磨削相比，可以降低磨石的磨損成本，因此在大直徑SiC晶圓的量產(chǎn)過(guò)程中，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速和低成本。
該團(tuán)隊(duì)表示，擬將本次研發(fā)的拋光技術(shù)引入先進(jìn)電力電子研究中心的6英寸兼容SiC晶圓集成加工工藝，并應(yīng)用于同一研究中心的功率器件開(kāi)發(fā)，促進(jìn)技術(shù)示范.
資訊來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
