AI 改进半导体分层技术，赋能计算机芯片、电池制造

原子层沉积 (Atomic layer deposition，ALD) 是一种高度可控的薄膜合成工艺，可制造出只有一个原子厚的薄膜。广泛应用于计算机芯片、太阳能电池、锂电池等领域。很多企业常用 ALD 来制造半导体器件。ALD 的灵活性和多样性给确定工艺参数带来了重大挑战，但仍需要专家的直觉和耗时的反复试验来确定最佳工艺参数。

最近，来自美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的研究人员 描述了多种基于 AI 的方法来自动优化 ALD 工艺。详细说明了每种方法的相对优势和劣势，以及可用于更有效、更经济地开发新流程的见解。

该研究以《用于优化原子层沉积的智能代理》「 Intelligent Agents for the Optimization of Atomic Layer Deposition 」为题发表在《 ACS Appl. Mater. Interfaces 》杂志上。

前沿，但也面临挑战

ALD是一种工艺，通过前驱体蒸气和基板表面之间的一系列自限反应，在基板上沉积原子厚度的均匀薄膜。ALD 可访问大量的元素和化合物目录，元素周期表中超过一半的元素在出现在ALD过程中。

ALD 擅长在复杂的 3D 表面上生长精确的纳米级薄膜，例如在硅晶片上形成图案的深而窄的沟槽，以制造当今的计算机芯片。 这促进了科学家为下一代半导体器件开发新的薄膜 ALD 材料。

然而，开发和优化这些新的 ALD 工艺是具有挑战性和劳动密集型的。研究人员必须考虑许多可以改变这一过程的不同因素，包括：分子前体之间的复杂化学反应；反应器设计、温度和压力；前驱体剂量和吹扫时间。

为了找到克服这些挑战的方法，阿贡科学家评估了 三种新型优化策略 ：(a)随机选择气体时间；(b) 基于高斯过程代理模型的贝叶斯优化 (BO)，以及 (c) 基于规则的专家系统方法，利用人类策略和物理直觉。值得注意的是， 后两种使用不同的 AI 方法，且以前从未应用于 ALD。

Table 1 列出了该研究的四种ALD 工艺模型：Al2O3 在 200 下使用三甲基铝 (TMA) 和 H2O，Al2O3 在 100 下使用 TMA 和 H2O，W 在 200 下使用六氟化钨 (WF6) 和乙硅烷 (Si2H6)，TiO2 使用钛 (IV) 异丙醇 (TTIP) 和 200 下的 H2O。

敏感性分析

在比较所有四种ALD工艺模型的三种优化策略之前， 了解关键超参数对成本函数和优化性能的影响非常重要。 可确保在平等的基础上比较优化策略。以在 200 下生产 Al2O3 薄膜为例，研究ALD 系统的效果。

专家系统方法对关键超参数的值很敏感。 首先，专家系统策略需要指定一组起始时间。尝试了多种分配初始时序的方法，包括使用统一时序（所有时序相同）和随机时序（时序在优化边界之间随机初始化）。 探索 发现统一的初步计时产生了可靠的性能。

此外， 专家系统优化策略对给定时序所采用的重复 ALD 周期数也很敏感。 相比之下， 贝叶斯优化策略对采用的重复次数相对不敏感。

优化策略比较

研究人员通过比较他们如何优化 ALD 中使用的两种前驱体的剂量和清洗时间来评估他们的三种策略。加药时间(dosage time）是指前体加入反应器的时间，而吹扫时间是指去除多余的前体和气态化学产品所需的时间。

目标： 找到可以在最短的时间内实现高且稳定的薄膜生长的条件。 科学家们还使用代表反应堆内 ALD 过程的模拟来判断他们收敛到理想时间集的速度策略。

将他们的优化方法与模拟系统联系起来，让他们能够根据优化算法生成的处理条件，在每个循环后实时测量薄膜的生长情况。

研究人员比较了四种 ALD 工艺的三种优化策略的性能。通过比较了 Al2O3 薄膜在 200 C 下0.1%和10%噪声水平下生长的优化策略性能。研究表明： 在这两个噪声水平上，贝叶斯优化的性能最好，其次是专家系统，然后是低测量噪声的随机策略，高测量噪声的反向策略。

除了考虑给定优化算法在接近一组最优 ALD 时序时的效率之外，实际考虑也很重要，例如 CVD 类型生长（如果选择了不适当的低吹扫时间），从而使反应器结垢，对 ALD 反应器安全可靠运行的影响。实验表明：专家系统方法完全避免了不受控制的生长，而随机优化策略则始终对产生过量CVD型增长的条件进行采样。贝叶斯优化方法在避免大增长率方面做得更好。

研究得出： （1)随机优化(RO)在其他两种策略的优化时间质量不确定性较大的情况下表现良好，导致处理空间 探索 过程中GPC值过高。（2）贝叶斯优化（BO）可靠，性能好，不需要超参数调优。然而，在早期和后期的循环中，BO受到GPC值过高的影响。(3) 专家系统优化 (ESO) 可靠且安全，但前驱体剂量次数过于保守。

一劳永逸 （Set it and forget it）

「所有这些算法都提供了一种更快地收敛到最佳组合的方法，你不必像今天通常那样花时间将样品放入反应器中、取出样品、进行测量等。相反，你拥有实时与反应堆连接的回路。」该研究的合著者、Argonne 首席材料科学家 Angel Yanguas-Gil 说。

这种设置还通过形成一个闭环系统使两种 AI 方法的过程自动化。

尽管存在一些弱点，但人工智能方法有效地确定了不同模拟 ALD 工艺的最佳剂量和清洗时间。 这使得这项研究成为第一批表明使用 AI 可以实时优化薄膜的研究。

研究人员表示： 在未来的工作中，除了改进现有的算法外，还希望将这些方法扩展到包括反应堆温度和前驱体分压。

「这是令人兴奋的，因为它开辟了使用这些类型的方法来快速优化实际 ALD 工艺的可能性，这一步骤可能会在未来开发新应用时为制造商节省宝贵的时间和金钱。」Jeff Elam 总结道。

1.首先是环氧树脂的粘接强度不够，可以让你的供应商提高环氧树脂的粘接强度，不过一般供应商一般都会向你推荐更高端更贵的型号，选择愿意配合你的供应商吧

2.框架严重氧化，框架氧化后环氧树脂与框架的粘接强度降低，尽量在前道工序保证你的框架不被氧化，氧化后一般能从颜色看得出来，对比一下前后的变化就知道了

3.适当加大注射（转进）压力

4.适当降低框架预热温度，也是为了防止氧化，一般要低于150度，当然还要兼顾你的模具的匹配性

5.适当调整注射速度（看实验的结果，也要靠经验了）

解决了以上问题分层基本上可以消除

在半导体芯片制造中，“光刻”和“刻蚀”是两个紧密相连的步骤，它们也是非常关键的步骤。 “光刻”等同于通过投影在晶片上“绘制”电路图。此时，电路图实际上并未绘制在晶圆上，而是绘制在晶圆表面的光刻胶上。光刻胶的表面层是光致抗蚀剂，光敏材料将在曝光后降解。 “蚀刻”是实际上沿着光致抗蚀剂的表面显影以在晶片上雕刻电路图的图案。

半导体芯片设备蚀刻机在芯片制造领域处于国内替代的最前沿。有三个核心环节，分别是薄膜沉积，光刻和刻蚀。刻蚀是通过化学或物理方法选择性地蚀刻或剥离基板或表面覆盖膜的表面以形成由光刻法限定的电路图案的过程。

其中，光刻是最复杂，最关键，最昂贵和最耗时的环节。刻蚀的成本仅次于光刻，其重要性正在提高。薄膜沉积也是必不可少的重要过程。为了实现大型集成电路的分层结构，需要重复沉积-蚀刻-沉积的过程。

随着国际高端量产芯片从14nm到10nm到7nm，5nm甚至更小芯片的发展，当前市场上普遍使用的浸没式光刻机受到光波长的限制，密钥尺寸无法满足要求，因此必须采用多个模板过程。 使用蚀刻工艺来达到较小的尺寸，使得刻蚀技术及相关设备的重要性进一步提高。

刻蚀机是芯片制造和微处理的最重要设备之一。它使用等离子蚀刻技术，并使用活性化学物质在硅晶圆上蚀刻微电路。 7nm工艺相当于人发直径的千分之一，这是人在大型生产线上可以制造的最小集成电路布线间距，接近微观加工的极限。尽管我国的半导体设备行业与国际巨头之间仍然存在差距，但我们可以看到，无论是受环境，下游需求还是研发能力的驱动，国内半导体设备行业都发生了质的飞跃。

中微公司主要从事高端半导体芯片设备，包括半导体芯片集成电路制造，先进封装，LED生产，MEMS制造以及其他具有微工艺的高端设备。该 公司的等离子蚀刻设备已专门用于国际一线客户的集成电路和65nm至14nm，7nm和5nm先进封装的加工和制造。其中，7nm / 5nm蚀刻技术是国内稀缺性的技术。 该公司的MOCVD设备已在行业领先客户的生产线上投入批量生产，已成为基于GaN的LED的全球领先制造商。

公司的客户包括国内外的主流晶圆厂和LED制造商。随着公司产品性能的不断提高，客户的认可度和丰富度也在不断提高。公司生产的蚀刻设备的主要客户包括 全球代工领导者台积电，大陆代工领导者中芯国际，联电，海力士，长江存储等，光电厂商华灿光电、璨扬光电、三安光电 等。随着中微股份在半导体芯片设备领域的不断发展，公司在IC制造，IC封装和测试以及LED行业中的渗透率不断提高，并且越来越多国际厂商已成为公司的主要客户。公司开发的5nm蚀刻机已通过台积电的验证。 Prismo A7设备在全球基于氮化镓的LED MOCVD市场中处于领先地位，成功超过了传统的领先企业Veeco和Aixtron。

中微公司的主要业务是蚀刻设备和MOCVD设备的生产和销售，并处于国内半导体设备市场的前列。与公司有可比性的公司包括领先的国际蚀刻设备LAM和MOCVD设备领先的Veeco，以及国内两级半导体设备公司北方华创和精测电子。 在蚀刻设备市场上，中微公司与LAM之间存在很大差距，在MOCVD设备领域，中微公司具有与Veeco相近的实力。从国内来看，中微公司和精测电子处于同一水平，仅次于北华创，主要是因为公司是半导体芯片设备的后起之秀。总体而言，中微公司处于国内半导体芯片设备的第一梯队。

2020年前三季度，营业收入为14.8亿元，同比增长21.3％，归属于母公司所有者的净利润为2.8亿元，同比大幅增长105.3％。扣非净利润-4547.3万元，同比下降138.1％。其中，前三季度非经常性损益为2.44亿元。剔除政府补贴，确认的公允价值变动损益为1.55亿元，这主要是由于公司对中芯国际A股股权价值变动的投资以及LED芯片的供过于求。随着价格持续下降，下游企业面临毛利率和库存的双重压力。

A股上市公司半导体芯片刻蚀设备黑马股中微公司自2020年7月见顶后保持中期下降趋势，主力筹码相对较少控盘不足，据大数据统计，主力筹码约为21%，主力控盘比率约为31%； 趋势研判与多空研判方面，可以参考15日与45日均线的排列关系，中短期以15日均线作为多空参考，中期以45日均线作为多空参考。

---