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)脫碳社會有望普及的純電動汽車（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，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4年的開發(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)體已在美國特斯拉部分主打純電動汽車「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，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研磨或拋光來進(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，隨著市場規(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（以下簡稱“漿液”）拋光速度也不會增加，因此需要依靠單硅片加工直到鏡面加工（表面粗糙度Ra=1nm）。在拋光過程中，根據(jù)普雷斯頓的經(jīng)驗(yàn)法則，可以通過增加拋光平臺的旋轉(zhuǎn)速度和加工壓力來提高拋光速度。但存在的問題是，研磨液被平臺的離心力切割，摩擦熱難以繼續(xù)拋光，無法提高拋光速度。因此，我們試圖通過生產(chǎn)一種固定磨粒平臺來解決這些問題，其中將金剛石磨石成型為平臺，并將其與高速拋光設(shè)備相結(jié)合。（圖1）

　　圖2是碳化硅晶圓在各種拋光條件下的拋光速度對比圖。

　　在超過200rpm的平臺旋轉(zhuǎn)速度下，使用金屬平臺和漿料的加工變得困難。另一方面，當(dāng)使用固定磨粒平臺時，確認(rèn)即使在700rpm下平臺旋轉(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，并且通過控制供給的水量能夠在充分冷卻平臺的同時確保拋光效率的優(yōu)點(diǎn)也得到了證明。

　　使用平臺的拋光主要通過平臺的處理壓力和轉(zhuǎn)數(shù)來控制處理速度，因此可以同時處理多個晶圓的批處理類型。圖4表示同時加工多個SiC晶圓時的平臺轉(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。通過增加每批處理的晶圓數(shù)量可以顯著縮短每個晶圓的處理時間。此外，通過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)過程中，可以同時實(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發(fā)，促進(jìn)技術(shù)示范。