導(dǎo)語(yǔ)
美國(guó)阿肯色大學(xué)已開(kāi)始建設(shè)國(guó)家多用戶SiC（碳化硅）研究和制造設(shè)施（MUSiC，Multi-User SiC Research and Fabrication Facility）。這個(gè)新的半導(dǎo)體研究和制造設(shè)施能夠制造硅或SiC芯片，使政府、企業(yè)和大學(xué)能夠制造SiC原型，從而引進(jìn)美國(guó)目前沒(méi)有的能力。
據(jù)美國(guó)大學(xué)杰出的電氣工程教授、MUSiC的首席研究員介紹Alan Mantoth，該設(shè)施將為大批量制造提供低批量原型設(shè)計(jì)，借以彌合傳統(tǒng)大學(xué)研究與私營(yíng)企業(yè)需求之間的差距。
他說(shuō)：“我們的目的是通過(guò)提供一個(gè)從開(kāi)發(fā)研究到原型設(shè)計(jì)、測(cè)試和制造芯片的單一位置，加速半導(dǎo)體的勞動(dòng)力發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步?！彼a(bǔ)充道：“有了MUSiC，這所大學(xué)可以開(kāi)始培訓(xùn)下一代各種學(xué)位水平的人才，為半導(dǎo)體制造業(yè)的國(guó)內(nèi)供應(yīng)商提供訓(xùn)練有素、受過(guò)良好教育的人才。我們的培訓(xùn)同樣適用于硅、SiC和其他材料?！?/p>
除了Alan Mantoth，該項(xiàng)目的聯(lián)合首席研究員還包括杰出的物理學(xué)教授Greg Salamo、電氣工程副教授Zhong Chen、電氣工程系商務(wù)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)理Shannon Davis，以及來(lái)自德州X-FAB公司的前任碳化硅技術(shù)主管John Ransom，后者將負(fù)責(zé)MUSiC研究和制造設(shè)施的指導(dǎo)工作。
錢是哪里來(lái)的？
該校官方表示，阿肯色大學(xué)的這個(gè)國(guó)家級(jí)SiC研究制造中心獲得了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）提供的1800萬(wàn)美元資助，另有美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的額外支持。
這些資金將用于阿肯色大學(xué)建造和運(yùn)營(yíng)國(guó)家碳化硅研究和制造設(shè)施。該設(shè)施第一階段對(duì)現(xiàn)有潔凈室實(shí)驗(yàn)室的擴(kuò)建，明年將開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。Alan Mantooth透露，新建的設(shè)施預(yù)計(jì)將在2025年1月完工，屆時(shí)MUSiC將全面啟用。
據(jù)了解，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)提供的資金將用于基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備和技術(shù)安裝，以及支持人員和研究人員的費(fèi)用。通過(guò)將該大學(xué)幾十年的碳化硅研究經(jīng)驗(yàn)與先進(jìn)設(shè)備相結(jié)合，生產(chǎn)出可在極端溫度條件下運(yùn)行的先進(jìn)集成電路，讓電子系統(tǒng)更輕、更快、更節(jié)能。
NSF資金將支付基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備、技術(shù)安裝和現(xiàn)有設(shè)施的改進(jìn)，以采購(gòu)新的設(shè)備。資金還將包括三名全職工作人員、一名博士后研究員四年以及用于設(shè)置和操作設(shè)備的雜項(xiàng)用途。
研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)
Alan Mantoth認(rèn)為，由于需要處理的缺陷較多，8英寸碳化硅晶圓的開(kāi)發(fā)工作仍在進(jìn)行中，這使得碳化硅的制造成本相對(duì)于硅來(lái)說(shuō)更高。不過(guò)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)，預(yù)計(jì)碳化硅將變得更具成本效益，進(jìn)一步推動(dòng)其在各種應(yīng)用中的采用。
他指出，與使用硅制造的IC相比，設(shè)計(jì)和制造碳化硅IC面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)。硅摻雜可以在適當(dāng)?shù)墓に嚋囟认聰U(kuò)散，從而能夠精確控制結(jié)深度、載流子密度和遷移率。而在碳化硅中，摻雜流動(dòng)性較差，擴(kuò)散受限，需要多次注入才能實(shí)現(xiàn)所需的摻雜分布和深度。這也增加了額外的步驟和成本。
另外，碳化硅具有獨(dú)特的材料特性，需要進(jìn)行更高溫度的處理，例如注入后的晶圓退火，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的替代技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
Alan Mantoth表示：“在碳化硅領(lǐng)域的持續(xù)研究工作有望取得突破和進(jìn)展。為獲得更高質(zhì)量的原材料在新設(shè)備、新材料和晶片開(kāi)發(fā)工藝方面進(jìn)行的創(chuàng)新特別令人興奮。碳化硅生態(tài)系統(tǒng)從制造到設(shè)計(jì)、CAD工具和產(chǎn)品的發(fā)展速度令人震驚?！薄氨M管面臨這些挑戰(zhàn)，阿肯色大學(xué)建立的國(guó)家級(jí)碳化硅研究和制造中心將加速碳化硅集成電路的進(jìn)展，并為各個(gè)領(lǐng)域的尖端技術(shù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。”他說(shuō)。
對(duì)行業(yè)的影響
幾十年來(lái)，大多數(shù)電子設(shè)備使用的芯片都是由硅制成。碳化硅半導(dǎo)體具有卓越的物理特性，如高機(jī)械、化學(xué)和熱穩(wěn)定性，其寬帶隙和高熱穩(wěn)定性能夠使設(shè)備能夠在極端溫度條件下運(yùn)行，從而改變電力電子行業(yè)。
碳化硅是一種非常適合高溫環(huán)境的半導(dǎo)體器件。雖然對(duì)碳化硅的研究已經(jīng)持續(xù)了很長(zhǎng)時(shí)間，但直到最近，由于無(wú)法獲得高良率的碳化硅晶圓，用它大規(guī)模制造半導(dǎo)體器件的努力受到了一定的限制。
目前，美國(guó)所有的碳化硅制造設(shè)施僅供公司內(nèi)部使用，美國(guó)碳化硅集成電路的研發(fā)也依賴于國(guó)際制造。阿肯色大學(xué)的MUSiC是一個(gè)新的開(kāi)放式設(shè)施，將填補(bǔ)美國(guó)生產(chǎn)碳化硅制成的集成電路的空白，解決美國(guó)國(guó)內(nèi)碳化硅集成電路產(chǎn)能不足的問(wèn)題，同時(shí)為外部工程研究人員提供原型制作、演示和器件設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。
該設(shè)施將提供價(jià)格合理的碳化硅集成電路和功率器件的小批量制造能力，為研究人員、初創(chuàng)企業(yè)和其他公司提供平臺(tái)，進(jìn)行新設(shè)備、電路、設(shè)備和制造流程的試驗(yàn)和評(píng)估。雖然不是大批量生產(chǎn)，但其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)與大批量制造商的工藝兼容性，有助于輕松地從小批量原型轉(zhuǎn)向大批量生產(chǎn)。
該設(shè)施的潛在應(yīng)用非常廣泛，如軍事、工業(yè)、汽車電子、重型運(yùn)輸、建筑設(shè)備，也包括地?zé)岷秃娇蘸教斓阮I(lǐng)域。這樣的制造設(shè)施對(duì)美國(guó)和整個(gè)行業(yè)的影響不可小覷，在推進(jìn)碳化硅半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造方面，有可能引領(lǐng)改變行業(yè)游戲規(guī)則的新技術(shù)，特別是在軍事應(yīng)用方面，碳化硅可用于混合動(dòng)力或全電動(dòng)車輛、無(wú)人機(jī)、雷達(dá)系統(tǒng)、武器裝備、船岸電網(wǎng)連接等。
在工業(yè)領(lǐng)域，基于碳化硅的器件可用來(lái)監(jiān)測(cè)工業(yè)過(guò)程和設(shè)備的健康情況，對(duì)化學(xué)和電氣操作等高溫過(guò)程進(jìn)行控制。例如，將碳化硅用于天然氣渦輪機(jī)的健康監(jiān)測(cè)，或用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)和其他系統(tǒng)的感知和控制。
除了推動(dòng)研究進(jìn)展，該設(shè)施的作用還體現(xiàn)在培養(yǎng)下一代半導(dǎo)體研究人員和工程師方面，可以讓學(xué)生接觸迎合市場(chǎng)需求的科學(xué)技術(shù)。
Alan Mantooth及其他阿肯色大學(xué)的電氣工程研究人員在碳化硅方面擁有數(shù)十年的工作經(jīng)驗(yàn)，是少數(shù)能夠利用強(qiáng)大的半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)集成電路的大學(xué)研究小組之一。將這種專業(yè)知識(shí)與尖端設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，將有助于培養(yǎng)下一代半導(dǎo)體研究人員和工程師，彌補(bǔ)過(guò)去美國(guó)供應(yīng)商離岸生產(chǎn)造成的人才缺口。
總而言之，MUSiC將成為美國(guó)大學(xué)和行業(yè)研究硅碳化物制造和器件技術(shù)方面的重要橋梁。它將促進(jìn)技術(shù)從理念到概念驗(yàn)證再到功能原型的轉(zhuǎn)變，釋放科研創(chuàng)造力，推動(dòng)硅碳化物研究的創(chuàng)新。
未來(lái)，碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展將遵循兩條路線：碳化硅將以其卓越性能提供的顯著系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)取代硅，開(kāi)辟硅基解決方案無(wú)法覆蓋的新領(lǐng)域，創(chuàng)造新的市場(chǎng)和可能性。
