探索更高效的半导体制造

当前制造太阳能电池和电力电子产品的工艺存在制造浪费问题：当从基板中取出晶圆然后减薄时，高达95%的初始材料块（称为晶圆或基板）被破坏。这些半导体制造工艺称为线锯切和背面研磨。

亚利桑那州立大学Ira A. Fulton 工程学院的电气工程教授 Mariana Bertoni 和她以前的博士生 Pablo Guimerá Coll 致力于减少晶圆制造中的浪费。他们开发了一种精确的方法，用少量的力在半导体基板材料上施加裂纹，然后使用声波精确引导裂纹，仅切除所需的量。

亚利桑那州立大学玛丽安娜·贝尔托尼教授的实验室中展示了一块半导体材料晶圆。她的公司 Crystal Sonic 获得了 NASA 2022 年 SBIR Ignite 计划第二阶段的资金，以推进他们的 Sonic Lift-off 制造技术，该技术使用声波切割电子设备的半导体晶圆。照片由玛丽安娜·贝尔托尼/亚利桑那州立大学提供。

由此产生的干净、准确的切割使得基材材料可以多次使用，并且完全消除了背面研磨的需要，最终减少了制造过程中的浪费。

“我一直对剥落的过程（即使是在自然界中）以及振动在破坏物体中的作用着迷，”贝尔托尼说。

贝尔托尼和科尔对振动和剥落（即一块材料从一大块材料上断裂的过程）的痴迷，造就了他们的制造方法，并将其命名为 "声波提升（Sonic Lift-off）"。在 Sonic Lift-off 显示出前景之后，Bertoni 和 Coll 于 2018 年成立了 Crystal Sonic 公司，以进一步开发和商业化他们的研究。

贝尔托尼现在担任公司的首席技术官，而科尔则已经获得了材料科学与工程博士学位，现在是 Crystal Sonic 的研发总监。

Crystal Sonic继续因其创意而声名远扬——该公司通过SBIR Ignite Phase II for Sonic赢得了 NASA 小型企业创新研究和小型企业技术转让计划（分别称为 SBIR 和 STTR） 的 12 个国家 85万美元资金奖励之一升空，该机构认为其有可能用于制造可在太空中使用的太阳能电池。亚利桑那州立大学的衍生公司 Solestial 是一家专门从事太空太阳能技术的企业，由亚利桑那州立大学电气工程校友和前助理研究教授 Stanislau “Stan” Herasimenka 创办，该公司赢得了 12 个资助名额中的另一个。

SBIR 和 STTR 计划由所有美国联邦机构提供，以鼓励美国小型企业开发用于商业和政府环境的技术。SBIR Ignite 计划于 2022 年启动，专门针对 NASA 项目，与较长的传统 SBIR 和 STTR 流程相比，旨在通过加快时间分配资金来帮助小型企业，使这些公司能够以最小的干扰继续研究，并更多地开发他们的技术迅速地。

Crystal Sonic 是该计划的首批参与者之一，并开始参与 SBIR Ignite 并获得第一阶段奖项，该项目研究了 Sonic Lift-off 在大型晶圆上的可行性。

声波剥离使用精确的力在半导体基板材料上产生裂缝。基板破裂后，声波引导裂缝进一步进入基板，以干净地切割材料，从而生产出用于太阳能电池或电力电子芯片制造的薄半导体器件。

该技术使用声波来引导裂纹，从而产生光滑的表面，这与线锯的产品不同，线锯的产品很粗糙，需要另一道背面研磨步骤才能将其平滑到消费设备可用的水平。

Crystal Sonic 首席执行官 Arno Merkle 解释说，Sonic Lift-off 通过允许通常只使用一次的基板块重复使用一次或多次，从而减少了基板浪费。他说，该方法的主要应用是化合物半导体材料，如砷化镓、氮化镓和碳化硅。

这些材料通常用于电力电子应用，例如某些类型的太阳能电池板和芯片，用于转换电力并调节电网组件以及电动汽车传动系统和充电器中的电流。

“这类芯片通常不是你想象中的计算机芯片，就像计算机或手机中的处理器一样，”默克尔说。“但它们也用于传感器等其他应用，因此即使是 iPhone 中用于测量面部识别的 3D 传感器以及其他用于测量光或距离的传感器也是例子。”

由于生产高质量化合物半导体材料的难度以及生产芯片时产生的大量废物，使用它们的设备的生产成本昂贵。Sonic Lift-off 的废物减少可以将化合物半导体芯片的最大单一成本降低至少一半，而化合物半导体芯片正面临着不断增长的需求。

虽然声波剥离已被证明可以成功切割四英寸的裸晶圆，但该技术尚未在如此尺寸的设备中进行测试。Crystal Sonic 的 SBIR Ignite 第二阶段资助将让该公司建造第二代版本的 Sonic Lift-off 工具，并与太空太阳能技术制造商合作，以确定该方法是否可以用于生产功能正常的四英寸设备。

Merkle 表示，未来 Crystal Sonic 希望能够加工更大直径设备的晶圆。

“对于硅芯片之类的东西，目前最大可达 12 英寸晶圆，”他说。“我们面临的技术问题之一是，‘我们能否在越来越大直径的晶圆上证明这一点？’”

未来，Crystal Sonic 的目标是进入 SBIR Ignite 第三阶段，这将见证 Sonic Lift-off 的进一步商业化。默克尔表示，该公司计划开始太空太阳能技术行业的商业化，未来可能将市场扩展到 宽带隙半导体 器件制造商。

随着公司在 Sonic Lift-off 开发过程中的成功和发展，Crystal Sonic 已经从亚利桑那州立大学坦佩校区的 Bertoni 实验室租用的空间搬到菲尼克斯市中心的 Connect 实验室，该实验室位于亚利桑那州立大学和开发公司合作  创建 的 大楼 内韦克斯福德 和凤凰城。

“今年夏天早些时候，我们走出了亚利桑那州立大学的校园，”默克尔说。“我们的发展已经超出了这个范围，我们正在为团队招聘两名新人。我们很高兴能够加入太阳谷一些新兴初创企业的社区。”

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