據日經報道，日本(ben)名古屋大學的(de)(de)宇治原徹教授(shou)等人(ren)開發出(chu)了利用人(ren)工智慧(hui)（AI）高精度制(zhi)造新一(yi)代(dai)半導體(ti)使用的(de)(de)碳化硅（SiC）結(jie)晶的(de)(de)方(fang)法。這種方(fang)法能(neng)將結(jie)晶缺陷數量降至(zhi)原來百分(fen)之一(yi)，提高了半導體(ti)生產(chan)的(de)(de)成品率。2021年6月成立的(de)(de)初創企(qi)業計(ji)劃(hua)2022年銷(xiao)售樣品，2025年實現量產(chan)。
SiC與現(xian)在(zai)的(de)主流(liu)半導體(ti)基板(ban)硅基板(ban)相比，節能(neng)性(xing)能(neng)更高。功(gong)率半導體(ti)是(shi)為(wei)實(shi)現(xian)脫碳社(she)會有望(wang)普及(ji)的(de)純電(dian)動汽(qi)車（EV）及(ji)電(dian)力控制(zhi)等不(bu)可或(huo)缺(que)的(de)元器件，SiC是(shi)功(gong)率半導體(ti)最合適的(de)材(cai)料。
不過與硅(gui)相比，難(nan)以(yi)制(zhi)造原子整齊排列的(de)高品質結(jie)晶。制(zhi)造結(jie)晶時，有很多需(xu)要調整的(de)地方。比如：溫度、作為(wei)材料(liao)的(de)溶液的(de)濃度以(yi)及機械的(de)結(jie)構(gou)等。難(nan)以(yi)找到良好的(de)條(tiao)件(jian)，確立將結(jie)晶尺寸增大到30厘米的(de)技術用(yong)了幾十(shi)年。
研究團隊利(li)用AI優化(hua)了(le)多個項目(mu)。宇治原(yuan)教授表示「讓(rang)AI學習模(mo)擬（模(mo)擬實驗）結果，導出(chu)了(le)最佳條件(jian)」。經過4年的(de)開(kai)發，可以制造(zao)能產業利(li)用的(de)約(yue)15厘米(mi)的(de)尺寸(cun)了(le)。
試制(zhi)的(de)(de)SiC結(jie)(jie)晶(jing)比(bi)現有(you)結(jie)(jie)晶(jing)的(de)(de)缺(que)陷(xian)(xian)數量(liang)大幅減少(shao)。宇治原(yuan)教(jiao)授表示「有(you)缺(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)話，半(ban)導(dao)體的(de)(de)性能就不穩定，成(cheng)品率差(cha)」。宇治原(yuan)教(jiao)授成(cheng)立了生產(chan)銷售(shou)SiC結(jie)(jie)晶(jing)的(de)(de)名古屋(wu)大學創辦的(de)(de)初創企(qi)業「UJ-Crystal」，計劃實現量(liang)產(chan)。
采用SiC基板的(de)半導體已在美國(guo)特斯拉部分主打純電動汽(qi)車(che)(che)「Model 3」中負(fu)責馬達控(kong)制等(deng)的(de)逆(ni)變器上采用。豐田也在2020年底推出的(de)燃(ran)料電池(chi)車(che)(che)「MIRAI」的(de)新款車(che)(che)上采用了電裝生產(chan)的(de)SiC。
初(chu)次以外，日本還在(zai)SiC的其他方面取得突破
日本產業研究所：速度快12倍的拋光技術
在你今年八月，日本產業(ye)研究(jiu)所表示，他(ta)們團隊可以(yi)實現(xian)SiC晶圓的(de)(de)高速整平開發封裝技術。特別是在低速的(de)(de)鏡面加工(gong)中(zhong)，獲得了比以(yi)前快12倍的(de)(de)拋光(guang)速度。按照(zhao)他(ta)們所說，其(qi)建立(li)了一(yi)種新的(de)(de)批量式加工(gong)技術，可與(yu)片(pian)式加工(gong)方法的(de)(de)鏡面磨削工(gong)藝(yi)相媲美。
報(bao)道指出，碳化(hua)(hua)硅(gui)晶圓(yuan)(yuan)極(ji)難加工(gong)。因為它(ta)是(shi)一(yi)種硬而(er)脆的(de)(de)材料。迄今(jin)為止，碳化(hua)(hua)硅(gui)鬼片(pian)的(de)(de)平整化(hua)(hua)都是(shi)通過研磨(mo)或拋(pao)光來進行的(de)(de)。前者為單晶圓(yuan)(yuan)型(xing)(xing)，量產(chan)(chan)效率較差。后者是(shi)批處理類型(xing)(xing)，可以一(yi)次處理多張晶圓(yuan)(yuan)，但由(you)于加工(gong)速度(du)比(bi)硅(gui)片(pian)量產(chan)(chan)加工(gong)要(yao)慢，所以需(xu)要(yao)單位(wei)時(shi)間加工(gong)片(pian)數的(de)(de)6倍(bei)以上。SiC晶圓(yuan)(yuan)的(de)(de)直徑從6英(ying)寸(cun)增加到(dao)8英(ying)寸(cun)。未來，隨著市(shi)場(chang)規模的(de)(de)擴(kuo)大，量產(chan)(chan)規模的(de)(de)擴(kuo)大，需(xu)要(yao)能夠更高效地生產(chan)(chan)碳化(hua)(hua)硅(gui)晶圓(yuan)(yuan)的(de)(de)加工(gong)技術。
用于壓平(ping)(ping)晶(jing)圓、包裹(guo)或以(yi)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)為代(dai)表(biao)的(de)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)技術被(bei)稱為適合(he)批(pi)量(liang)生產(chan)的(de)批(pi)量(liang)加(jia)工技術。用于拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)高硬(ying)度(du)碳化硅由于即使(shi)使(shi)用金剛(gang)石漿(jiang)液(ye)（以(yi)下(xia)簡稱“漿(jiang)液(ye)”）拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)速(su)(su)度(du)也不會增加(jia)，因此需要依靠(kao)單硅片加(jia)工直(zhi)到鏡面加(jia)工（表(biao)面粗糙度(du)Ra=1nm）。在(zai)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)過程中，根據普(pu)雷斯頓的(de)經(jing)驗法則，可以(yi)通過增加(jia)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)平(ping)(ping)臺(tai)的(de)旋轉速(su)(su)度(du)和加(jia)工壓力(li)來(lai)提高拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)速(su)(su)度(du)。但存在(zai)的(de)問題是，研磨液(ye)被(bei)平(ping)(ping)臺(tai)的(de)離心力(li)切割，摩(mo)擦熱難以(yi)繼續拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，無法提高拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)速(su)(su)度(du)。因此，我們試(shi)圖(tu)通過生產(chan)一種(zhong)固(gu)定磨粒平(ping)(ping)臺(tai)來(lai)解決這(zhe)些問題，其(qi)中將(jiang)金剛(gang)石磨石成型(xing)為平(ping)(ping)臺(tai)，并將(jiang)其(qi)與高速(su)(su)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)設備相結合(he)。
圖(tu)2是碳化硅晶圓在各(ge)種(zhong)拋(pao)光條(tiao)件下的拋(pao)光速度對比圖(tu)。
在超(chao)過200rpm的(de)平(ping)臺(tai)旋(xuan)轉(zhuan)速(su)(su)度(du)下(xia)，使(shi)用金屬平(ping)臺(tai)和漿料的(de)加工變得困難(nan)。另(ling)一方面，當(dang)使(shi)用固定磨粒(li)平(ping)臺(tai)時，確認即使(shi)在700rpm下(xia)平(ping)臺(tai)旋(xuan)轉(zhuan)速(su)(su)度(du)和拋光(guang)速(su)(su)度(du)也是成(cheng)比(bi)例的(de)。這(zhe)比(bi)使(shi)用漿料的(de)典(dian)型加工條件（例如負載 200 g / cm 2，轉(zhuan)速(su)(su)：50 rpm）快約 12 倍，達到(dao)與傳統磨削相當(dang)的(de)速(su)(su)度(du)。
此外(wai)，高速(su)拋光的(de) SiC 晶圓的(de) Ra 約為 0.5 nm，實現了與傳統(tong)鏡面(mian)研磨工(gong)藝(yi)相同的(de)表面(mian)質量(liang)。(圖(tu) 3) 從這些結果可以(yi)看(kan)出(chu)固定磨粒(li)平臺和高速(su)拋光裝置(zhi)組合的(de)優越性。
此外(wai)，與使(shi)用漿(jiang)料的拋光不同，由于(yu)僅使(shi)用水作為處(chu)理液，因此環境負荷(he)小，并(bing)且通過(guo)控制供(gong)給的水量能夠在充分冷卻平臺(tai)的同時確保拋光效率的優點也(ye)得到(dao)了證明(ming)。
使用平臺(tai)的拋光(guang)主要通過(guo)(guo)(guo)平臺(tai)的處(chu)理壓力和(he)轉(zhuan)數(shu)來控制處(chu)理速度，因(yin)此(ci)(ci)可以同時處(chu)理多(duo)個晶(jing)圓(yuan)(yuan)的批處(chu)理類型(xing)。圖(tu)4表示同時加(jia)(jia)工(gong)多(duo)個SiC晶(jing)圓(yuan)(yuan)時的平臺(tai)轉(zhuan)速與研磨(mo)速度的關系。確認了(le)即使晶(jing)圓(yuan)(yuan)數(shu)量增加(jia)(jia)和(he)處(chu)理面積增加(jia)(jia)也可以保持拋光(guang)效率(lv)。通過(guo)(guo)(guo)增加(jia)(jia)每(mei)批處(chu)理的晶(jing)圓(yuan)(yuan)數(shu)量可以顯(xian)著縮(suo)短每(mei)個晶(jing)圓(yuan)(yuan)的處(chu)理時間。此(ci)(ci)外(wai)，通過(guo)(guo)(guo)使用抑制磨(mo)損的高硬度磨(mo)石，與磨(mo)削相比，可以降低磨(mo)石的磨(mo)損成(cheng)(cheng)本(ben)，因(yin)此(ci)(ci)在大直徑SiC晶(jing)圓(yuan)(yuan)的量產過(guo)(guo)(guo)程中，可以同時實現高速和(he)低成(cheng)(cheng)本(ben)。
該(gai)團隊表示，擬(ni)將(jiang)本次研發(fa)的拋光技術引(yin)入先進電力電子研究(jiu)中心(xin)的6英寸兼(jian)容SiC晶圓集成加工工藝(yi)，并應用于(yu)同一研究(jiu)中心(xin)的功率器件開發(fa)，促進技術示范(fan).
資訊(xun)來源：半導(dao)體行(xing)業觀察
