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《碳化硅芯片制造工艺及其在未来发展中的作用》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： AI智能小编
  • 发布时间：2024-05-29
  • 碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体材料正在突破传统半导体材料性能限制，在5G通信、物联网、新能源等领域发挥重要作用。碳化硅芯片取代传统硅基芯片，提高工作效率、降低能量损耗、减少碳排放。制作碳化硅芯片需经过注入掩膜、离子注入、制作栅极、制作钝化层、制作漏源电极等工艺步骤。元胞是芯片的基本单元，通过成千上万的元胞组成芯片，再集成到晶圆衬底中。晶圆的碳化硅衬底是通过物理气相传输法制备而成。
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相关报告

  • 《物联网芯片及其发展难题》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：shenxiang
    • 发布时间：2020-12-11
    • 从中兴事件，一直到中美贸易持续升温，我国芯片行业受制于人的问题已经被大多数人悉知。因此一波造芯热潮来了，但造芯片并不是那么容易的事情，而且对于中国来说，除了手机用的SOC和PC使用的 CPU 之外，还有很多芯片制造能力技不如人。比如存储颗粒也是其中之一，还需要长时间的艰苦奋斗才能追赶上。 在芯片领域除了刚才说的这些之外，其实还有一个新名词，叫做物联网芯片，这个名词之前并不存在，直到近些年Internet of things（ IOT 物联网）火爆之后才有这这种说法。 什么是物联网芯片？ 芯片我们知道有很多种，那么什么是物联网芯片呢？首先得知道什么是物联网，简单点说就是物物相连的互联网，他的核心依然是互联网，但在基础上衍生和拓展，不仅仅是基于人而是打通了物和物之间的连接通道。物联网也被普遍认为是信息产业发展的第三次浪潮，将带动整个世界的变化。 物联网芯片其实最终还是芯片，只不过作用更加细分化，与传统芯片相比有一定区别，尤其是在商业化方面。因为传统的芯片智能用在特定的需要有计算处理的地方，而物联网芯片更加灵活，主要是基于日常生活的，比如门窗、家电、甚至衣服鞋帽等等，对技术的要求更高，也更注重应用场景的针对性。 当然了，本质上它还是 集成电路 ，只不过更有指向性，需要应用到特定的环境当中，对于企业来说，也提出了更高的需求，因为物联网芯片的用户需要的更多是一套解决方案，往往不仅仅是单一的芯片产品。 物联网芯片面临的两大难题 根据数据显示，2015年全球物联网连接大约60亿个左右，预计2020年将增长到270亿个，这还是比较保守的预计数字。而根据工信部发布的数据显示2017年物联网产业规模已经突破万亿，至IJ2020年，仅仅中国的物联网整体规模就会达到1.8万亿，而其中最重要的物联网芯片，将会在2025年之前一致保持高增长和高产业价值。 但是要想站稳物联网芯片的脚跟可不容易，面临这两个非常严重的问题。 1、针对性 无论是PC处理器还是手机SOC,对于大公司来说，一款产品或者一系列产品一旦打造完成，通常可以大量出货。比如 高通 公司的骁龙660处理器出货量是几千万片或者上亿片。 华为 麒麟处理器虽然只供给自己家的产品，但手机销量也是以百万台计数的，这就意味着这些SOC的出货量都是百万级起步。而物联网是万物互联，意味着要面临各种各样的产品提出很多种解决方案。这就面临这严重的细分化问题，虽然有些芯片的需求量很大，但总体来说种类散乱，虽然整体规模很大，但摊下来单一产品或者系列产品的需求量可能并不大。 一次就要求企业需要能够控制成本，及时的推出更有针对性的芯片来解决问题，否则通用型芯片虽然也可以解决问题，但功耗、性能等等很难匹配，并不是长久之计。当企业需求芯片只是几万、几十万片的时候，厂商如何满足他们，并保证自己盈利？现在看的确是个难题。 2、安全 物联网时代面临的最大问题首先就是安全，安全其实不仅仅是物联网芯片造成的，而是整个物联网时代是万物互联网，终端越多、链接通路越多，就越容易遭到攻击，尤其是廉价的设备接入其中，很难保证物联网是安全的。 因此物联网芯片就有了更多要求，至少要保证安全。今年年初的熔断和幽灵两大漏洞让 英特尔 、 AMD 在内的半导体公司歹单精竭虑，至今舆论和恐慌还没有完全消退。物联网芯片将会拥有更广阔的市场，一旦出现问题，影响会更加严重。尤其是刚才提到的，针对用户推出的产品种类更多、但单一产品总出货量降低，这就意味着产品后续可能得不到厂商有效的技术支持和维护，给了恶意者可乘之机。如何解决这一问题，也是当前必须解决的。 5G 发展带来更多机会 现如今4G网络已经带来了几十兆甚至上百找兆的贷款速度，高清晰视频在移动过程中都可以完美体验。也正是因为4G网络的普及，才开启了物联网时代。 到了5G时代，速度从量变的积累最终会让我们的生活产生质的变化。原本4G时代，主要是人到终端、互联网到人的通路，而5G网络面对这些游刃有余，还可以物物互联，这就给了物联网以更大的施展空间，物联网芯片也是如此，需要更小的功耗、适应更高速度，保证对应的处理能力。 因此5G的发展将会极大刺激物联网芯片的发展速度，甚至直接影响出货量，预计2020年全球开始逐步向5G网络过渡，而这一时间段也是芯片企业需要关注的关键节点。 虽然国内物联网芯片的发展速度很快，在汽车、手机、智能硬件、家居家电等领域已经有了一些进展，但主要供应商和技术还是靠国外公司，而到2020年时间已经不多了。
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  • 《董景辰：智能制造发展趋势》
    • 来源专题：数控机床——战略政策
    • 编译者：杨芳
    • 发布时间：2016-06-22
    • 一、智能制造内涵 大家都知道“智能制造”是《中国制造2025》的主题方向，虽然现在它的概念很热，但是我想现在还有很多同志对到底什么是智能制造不是特别清楚。所以，今天我首先想介绍一下什么是智能制造。 一是智能制造特征。“智能制造 ”到现在为止，全世界都没有一个准确的定义，学术、产业对“智能制造”的定义不太一样。但是，大家在“智能制造”最主要的特征方面，还是有一定共识的，主要具备如下三个特征：一是感知，要能够获取信息。如果智能制造没有信息，智能便无从谈起。制造过程中有产品信息、工艺信息、制造过程中各种各样的生产流程信息和质量信息，这些信息在“智能制造”领域非常重要;二是智能制造是信息技术和制造技术的结合。智能制造一定是利用了大数据、通信、软件等新的技术和制造技术结合在一起实现的;三是要将数据利用知识进行分析和优化，要能够实现与环境的相适应。这三个条件加在一起可以称为“智能制造”。当前企业中，能够达到智能制造水平的并不多，包括西门子在内，它实现智能制造也需要大约15到20年。在我们国家，如果企业说自身实现了智能制造，还为时过早。我国企业更多的是做到了感知和两化融合，这样的制造我们称之为数字化、网络化制造。 二是智能制造范围。全世界都在研究智能制造范围，我们国家也是这样。我们用一个立方体来表示智能制造的范围：x轴表示产品全生命周期，智能制造从设计、工艺、制造、管理、检验、物流的全部过程中，每一个环节都可以发挥作用，它覆盖了产品全生命周期的所有环节;y轴表示系统层次，包含设备层、生产层、管理层、车间层、企业管理层、协同网络层、制造层，在每一个层次里面，智能制造也有它的作用;z轴表示智能功能，包括互联互通、信息集成等等。这三个维度覆盖了整个智能制造可以适用的范围。 三是智能制造内容。智能制造的内容包含三个方面，分别是智能的产品、智能的制造过程和智能的经营服务方式，三方面内容共同组成了智能制造内容。在这说的智能就是数字化、自动化、网络化、智能化的简称。首先说一下智能产品，智能产品是制造业的标志，也就是说如果说一个产业很强，那这个产业必然有非常好的产品。例如，说高铁很强是因为我国有高速列车。数字技术和信息技术的发展为智能产品提供了创新空间。我举一个例子，大家都知道智能手机的出现把日本的小家电淘汰下去了，手机的出现逐步替代了随身听、录音机、照相机。最近很多企业都在研发无人驾驶汽车，对传统汽车行业更会产生深远影响。智能产品在我们的生活中扮演了重要角色。那么，智能产品有哪些特点呢?一是要有感知作用，即设备本身要有很多自己的特性，质量要好。比如说机床，以前的手摇机床是没有传感器的，后来出现了数控机床，要对移动距离进行测量，就需要传感器。再后来，温度对计算有影响，我们又要测量温度。二是要有获取信息后的自我调节功能，能够使自己处于最佳的工作状态。例如，我测量到温度，我知道温度会测量加工会有影响，就需要温度补偿以保证设备回到初始的测量精度上。还要进行自诊断，能够自动识别什么地方有故障了、电梯电流太大了、电梯发热了等问题。三是要有通讯功能，要能和其他装备和管理系统进行通讯。装备通讯很简单，数控机床配备机械手进行上料，数控机床和机械手之间就需要通讯。数控机床放在制造系统里面，也需要具备通讯功能。四是要对数据进行处理，挖掘分析，提供创造性应用服务。 比如说广东有一家企业，它监测设备的电流，如果电流有毛刺的话，表示轴承安装有问题，通过数据挖掘出新的分析结果，创造出新的价值。第二点，讲一下智能制造过程。智能制造过程包含两部分，一部分是数字化、自动化，是智能制造的基础，追求制造质量和生产效率、减少能耗、降低排放。还有一方面是信息化管理，指生产各个环节间要协调，去掉制造过程中的浪费。数字化管理和信息化、智能化结合在一起的时候才是智能制造过程的全部内容。智能制造过程在各个环节里都可以发挥作用，比如在产品设计环节，过去我们的产品设计是画成图然后把样机加工出来，进行试验发现问题，然后修改图纸，设计周期非常长。在智能化的数字设计领域，可以在虚拟的空间里制造产品模型，在计算机里进行仿真，仿真测试完全达到要求以后可以快速通过物理试验，大大缩短产品设计周期。工艺设计也是这样，一是工艺路线可以在计算机上仿真，例如哪些路线最简洁、最能节省时间;二是当我用某一个数控机床进行加工的时候，可以在计算机上先进行模拟加工，测试精度能不能达到，达标以后再将程序下载到机床里，加工的成功率会非常高，这些都是数字化工艺设计的应用。制造过程的自动化就更多了，包括生产、排产、设备的信息、生产进度信息、现场的可视化、供应链管理等。这个是检验检测，检验检测非常重要，特别是现在大家都讲质量追溯。检验检测的智能化，第一所有的检验检测数据必须是智能填上的，不能手工去填;第二生产线上所有工具的质量都应该是统计出来的，更多的是采用RFID、二维码等，要能够追踪产品生产过程。将来用户在使用过程中出现问题，能够倒追产品哪个工序、哪个工位，甚至是哪一批元器件造成的，这是质量信息方面。再一个是能源管理，我国的能耗跟世界平均水平相比差距较大，单位GDP大概是全球三倍。能源管理里面对主要的高耗能设备要进行可视化的管理，而且产量与能耗之间的关系应该搞清楚，这样就能建立各个重点环节的节能模型。最后是智能物流，这里的物流是指车间内的物流。其实，物流是目前智能化改造之后节约效应最明显的领域，能够大量减少人力、大大提高物流效率，降低物流过程中的质量损耗。可以利用电子单证、RFID等物联网技术，对物品的流动进行定位、跟踪、控制，还有立体仓库的控制等等。我也举一些例子，这是德国公司的模拟生产，在计算机上仿真生产流程，通过模拟对人工的制造资源进行优化配置。这个是西门子与玛莎拉蒂的汽车制造厂，它能够模拟产品整个生命周期的数字化和各个环节的协同，并能完全模拟生产流程。如果生产环境变化，比如原材料、物流有了变化或者供应链没有过来对供应链产生的影响，在计算机里都可以体现。在我们国家的飞机制造领域，数字化设计应用非常多。采用数字化设计以后，飞机可以做到一次装配成功、一次试飞成功。 数字化车间能够实现设备和设备、人和设备在工厂和后台的互联互通。例如海尔工厂，用户下了订单以后，可以在自己手机上看到我所下的订单的冰箱现在在哪个生产线上，到哪一工位，什么时候可以交货，这是数字化车间的典型案例在我们国家的实行。下面讲一下制造过程的智能化，主要讲精益模式的智能化。精益模式的智能化我们主要讲三个方面：一是个性化定制，红领在这方面做得非常好。个性化定制有几个条件，一是产品必须是模块化的，个性化定制并不是每一个产品都从头设计，一定是把产品模块化。经过模块化之后，将符合不同要求的不同模块组合在一起就形成个性化的产品。二是一定要有服务平台，通过服务平台用户可以根据深入的交互让用户选用模块，快速生成产品的定制方案。三是定制完成后，后续的生产要跟得上。生产计划和制造线能够跟得上订单需求，这是很不容易的。符合这三个条件才可以称为个性化定制。首先介绍一下个性化定制，例如奥迪将零件压缩之后形成重点模块，模块可以组合成更多的产品，这是模块化的生产方式。奥迪表示自己有20000多个部件，可以形成10000种产品，为30万用户提供特殊需求。我们国家在这方面的案例就是红领，大家可以看到红领的成绩非常明显，可以采集身上18个部位22个数据，根据这些数据顾客就可以形成他独有的订单，这样的设计7天就可以交付，成本只比批量生产高10%，通过这样的个性化定制，红领的年销售收入和利润增长都超过100%。所以说，个性化定制这样一种智能制造方式能够为企业带来效益。第二种方式是协同开放云制造，协同开放云制造什么意思呢?我建立一个网络平台，在网络平台里可以对不同企业或企业不同部门的创新资源、设计能力、生产能力、服务能力进行集成和对接，此外，还可以和社会上的资源和服务进行对接。目前，协同制造应用最好的领域是航空工业，航空工业本身的特点导致其必须采用协同制造。比如，沈飞坐飞机的头、成飞做机翼、西飞做的机身，肯定是不同的地区、不同的厂家在进行协同的运行设计，设计完成后要到一个地方装配，这样就必须采用协同开放云制造这样的方式才能够实现。经营模式里面，我们推荐远程监控。 远程监控就是说我们利用工业物联网，把我卖出去的产品的设备状态、操作情况、环境情况进行搜集，将数据上传运维平台进行管理，向用户提供在线监测、故障预计等预测性服务方案，此外，还配备了专家团队对远程监控提供支持，如果普通方案不能满足要求的时候，还可以请专家团队过来提出新方案。像陕西鼓风机，每卖一台鼓风机就配备一套测试装备，它在全国设有3个远程监控点为用户服务。这方面做的最漂亮的是GE公司，GE公司将传感器装在发动机的叶面上，并测试发动机叶面参数，从飞机滑行开始，将滑行、起飞、巡航、下降、遇到不同的天气波动等所有情况下的测试参数全部归纳起来，对发动机的状态进行监控，检查、判断发动机是否正常，如果有问题是哪个部件出了问题，飞机还没到达机场就将部件准备好，飞机降落之后马上把部件换上去。由于GE能够提供这种服务，后来它就不卖发动机了，只卖飞行小时，航空公司租GE的发动机，以飞行小时计价，这样的方式使得GE公司去年的业务量从69亿/年增加到187亿/年，该项业务的收入从占到总收入的40%增加到60%，现在全世界的发动机公司都在学习GE的做法。 二、发展形势 以上我将智能制造内涵大致介绍了一下，下面再抽5分钟时间把发展形势说一下。 一是我国智能制造需求旺盛。我们国家从2011年开始推行“智能制造”，当时大家觉得“智能制造”离我们太远了。但是，经过这几点的发展，大家觉得“智能制造”很快就来到了我们跟前。2011年到2014年，发改委、工信部、财政部联合实施了智能制造专项，4年共支持了124个项目，投入经费40亿元。2015年，国家又选出了46个国家试点示范项目，分布在28个省市、36个行业。而且，我国也实施了智能制造专项，其中标准研制43项、数字化车间51项，国家共投资10个亿。通过这几年的努力，我们给企业指出的方向，带动了企业对智能制造的需求，另外，关键的零部件和智能制造装备方面也取得了巨大的进展。数字化车间、数字化工厂的建设也在点上取得了一些突破，有了样板，并培训了一批人才。而且我们形成了一种机制，就是用户和制造商联合实施智能制造项目，这些都是有益的探索。经过这四年，可以说我们国家智能制造的培训期已经过了，从现在开始我们进入发展期。现在，我们国家智能制造需求非常旺盛。2014年，我们对浙江省10个市、20个行业、116家企业进行了调研，在机器换人需求方面，64.2%的企业非常强烈，44.9%的企业一般，14%的企业表示在做准备，真正没有需求的企业只占2%。此外，他们需求的目的非常明确，82%是为了解决人工问题，71.9%是为了解决劳动时间问题，71.9%是为了解决生产问题效率问题，还有46%是为了解决环境问题。浙江省每年在推进数字化、网络化、智能化战略方面政府和企业总投资要达到3600亿到5000亿之间。2015年，我们对福建省做了一项调查，100%的企业都对智能制造需求非常强烈，其中，家居行业需要升级的占32%，装备行业需要升级的站25%，监测环节需要升级的占32%，测试环节需要升级的占28%，物流、搬运、体力劳动升级的占23%。2015年，东莞机器换人已经达到1262个项目，总投资超过100亿，而且力争三年要达到80%的企业实现机器换人。江苏、广州、浙江等企业，三省每年在智能制造投入方面投资达到1万亿，占全国总投资的20%以上。 二是我国智能制造供应不足。虽然智能制造需求旺盛，但是我们国家的供应不足。我们国家的装备制造业现在是70%依赖进口，过程装备应用比率不到30%。根据世界银行的统计，我国每年进口的装备达到2万亿台发动机，这样的情况导致过程装备在市场上的占有率大概只有42%，不到一半，进口率达到58%，高端装备进口的比率会更大。因此，我国的整个市场从需求上分析，市场需求量非常大，2013年是3.5万亿到5万亿，我们预计2020年是8万亿到10万亿。这么大的市场肯定要成为我国“十三五”期间经济发展新的增长点。从供给侧来看，我国国内装备不到一半，一半以上需要进口。因此，我们必须发展我们自己国产的装备制造业，用中国装备装备中国制造，应该成为“中国制造2025”的重要核心战略。 三、关注的问题 最后关注几个问题。一是从国家层面来看，我们在促进智能制造和装备制造应该同步发展，要防止智能制造出现“空心化”，不能我们的数字化水平很高，但打开一看里面的装备全部都是国外的、机器人全部是西门子的，这样的情况不是我们想看到的。二是我们要做好三大基础，分别是标准化、基础设施和网络安全、软件，我国在这三方面还需要大大加强。三是人才培养，我国现在及其缺乏综合的智能制造方面人才，特别是系统集成，国家应该今后在这方面加强。今年，智能制造专项在实施过程中也都体现了这些思想。那么，作为企业来说，在发展智能制造过程中应注意哪些问题呢?首先，智能制造是要有基础的。现在想要实施智能制造的企业必须要管好自身基础，做实基础，包括精益生产、质量管理、劳动生产率等。北航有个老师说过三句话，我觉的很好：“不在落后的工业基础上搞自动化，不在落后的管理基础上搞信息化，不要在没有数字化、网络化的基础上搞智能制造”。所以，企业在实施智能制造的时候首先要关注自身基础。二是企业搞智能制造、搞数字化车间要有明确的经济目标，不要盲目追求高大上，不是为智能制造而智能制造，一定要关注投资汇报周期。在南方，一般企业家一年投资回收周期一定干，两年投资回收可以干，三年以上投资回收周期基本就不干了。三是智能制造不会一次就成功，不要希望投资一次就把智能制造搞起来，一定是分批分阶段，一步步提高的。
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