目前在提升再生能源裝置容量和能源效率，皆有高度關(guān)聯(lián)性的關(guān)鍵技術(shù)，莫過於利用化合物半導(dǎo)體來製造高效能功率半導(dǎo)體元件，以承受高電壓、高溫衝擊。臺灣廠商還具備過去多年來於矽基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)累積的基礎(chǔ)，且有如工研院等法人單位輔導(dǎo)，正積極投入建立材料開發(fā)、雷射輔助加工製程等測試驗證平臺和服務(wù)，將加速產(chǎn)業(yè)聚落成型。
尤其是伴隨著交通運具電動化與提升能源效率等需求，包括：碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）、InP、Ga2O3、AIN等化合物半導(dǎo)體，因為比起傳統(tǒng)矽基材料（Si-based）具備更寬裕的能隙特性，用來製造高效能功率半導(dǎo)體晶片元件，將可有效減省約50%電能轉(zhuǎn)換損耗、20%電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)成本，所以極適合提供高功率（>400V）、高電能轉(zhuǎn)換效率應(yīng)用，滿足耐高壓（>800V）、高溫及高頻需求。
工研院在2023年舉行的「南臺灣策略論壇」也指出，如今化合物半導(dǎo)體已逐漸導(dǎo)入電動車及充電樁、再生能源發(fā)電與傳輸，甚至是低軌衛(wèi)星、5G/6G高頻通訊、人工智慧（AI）基礎(chǔ)裝置、工業(yè)設(shè)備等低碳生活模式，減省充電時間和電池成本，而極富有戰(zhàn)略意義。依工研院南分院預(yù)估其中SiC晶圓市場快速成長（CAGR~15%），2028年全球規(guī)模將達到17億美元。
| 圖一 : 如今化合物半導(dǎo)體已逐漸導(dǎo)入電動車及充電樁、再生能源發(fā)電與傳輸，甚至是低軌衛(wèi)星、5G/6G高頻通訊、人工智慧（AI）基礎(chǔ)裝置、工業(yè)設(shè)備等低碳生活模式，而極富有戰(zhàn)略意義。（source：II-VI-SiC-for-5G） |
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臺灣藉矽基產(chǎn)業(yè)築底 構(gòu)建化合物半導(dǎo)體代工能量
惟若進一步分析現(xiàn)今高功率半導(dǎo)體元件挑戰(zhàn)，便是約有50%成本來自SiC長晶材料和高品質(zhì)基板，仍由少數(shù)國外大廠主導(dǎo)，整體基板產(chǎn)量不足，6吋N型SiC晶圓成為量產(chǎn)主流，也將是臺灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為來追求上游材料自主化的契機。
然而，基於化合物半導(dǎo)體種類繁多，對於材料自主化與在地設(shè)備挑戰(zhàn)大，亟待評估量體較大的材料「優(yōu)化技術(shù)」，並建立「設(shè)備改造」能力。臺灣因為過去在深耕矽基半導(dǎo)體材料和製造使用技術(shù)上，具有漫長且成功的歷史。包括在上游元件製程與下游次系統(tǒng)都有企業(yè)長期耕耘，掌握電路整合、成本控制能力，進而打造完整資通訊、汽車電子產(chǎn)業(yè)鏈，適合發(fā)展化合物半導(dǎo)體材料、製程設(shè)備，以及IC設(shè)計、封測和模組終端應(yīng)用。
但如今產(chǎn)業(yè)仍處於起步階段，包括上游粉體、長晶及晶球、晶錠、磊晶等原材料，以及元件製造與設(shè)計、設(shè)備來源皆仰賴進口，又以歐美日IDM廠商為主。未來則可能與垂直分工模式並存，適合引進國外系統(tǒng)廠商，代工製造將是臺灣產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，有潛力參與功率電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機會。從元件設(shè)計、磊晶製造、封裝測試、模組系統(tǒng)等，亟待設(shè)立「成品驗證場域」；同時培養(yǎng)或招募足夠國內(nèi)外化合物半導(dǎo)體人才，投入研發(fā)資源，以建立上位戰(zhàn)略智權(quán)能量。
| 圖二 : 如果能更方便加工，提高在量產(chǎn)效應(yīng)下的生產(chǎn)效率，將有助於壓低半導(dǎo)體材料及其元件、模組的價格。（source：ii-vi.com） |
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雷射輔助SiC改質(zhì)加工 提升效率與品質(zhì)
此外，因為目前商用碳化矽晶圓片製造流程，係先將長晶所得晶柱切片與整形，再利用線鋸切割機切成晶片，經(jīng)過粗研磨將晶片整平，而提高平整度（Total Thickness Variation；TTV）、並降低粗糙度；透過精密研磨，將表面粗糙度Ra降至3~5nm以下；最後再透過化學機械拋光（Chemical-Mechanical Planarization；CMP），達到成品晶圓片的規(guī)格TTV<3μm，Ra<0.3 nm。
但由於SiC材料硬度約為矽基材料的1.8倍，在現(xiàn)已確認的礦物及化合物中位居第三，僅次於鑽石和碳化硼，將造成目前為晶錠切片主流的鑽石線鋸切割技術(shù)，在加工製程中磨耗過大且速度緩慢，而成為大面積晶圓製造瓶頸。代表廠商包括：Asahi diamond（日）、DMT（英）、微鑽石設(shè)備（臺）等，切割速度6吋約2.4小時/片>48小時/晶錠。依工研院南分院舉例說明，透過線切割厚度約600μm晶圓之後，可能僅得350μm晶圓、切片料損約260μm，包括磨拋及切割耗損材料約占43%。
加上因為SiC基板表面上的任何缺陷，都可複製到外延層，導(dǎo)致SiC晶片的表面平坦化對於高性能元件非常重要。惟其超高機械硬度（莫氏硬度9.3）和化學惰性，使之難以同時達成理想的高材料移除率和良好表面平坦度，後續(xù)研磨/拋光不易，利用砂輪進行研磨的使用壽命短。
例如以400號砂輪的耗損率約3μm/min為例，砂輪可供磨耗厚度約8mm，換算推得每顆砂輪僅能研磨44小時即須更換，因此增加研磨成本與時間且量產(chǎn)不易；拋光製程則是速率緩慢，移除率僅有6.9nm/min，等於拋光一片碳化矽晶圓約須8~16小時，成為大面積碳化矽晶圓製造瓶頸。
國際大廠為保有技術(shù)與生產(chǎn)的優(yōu)勢，自2019年起宣示投入新建或自6吋改建為8吋晶圓產(chǎn)線，依國際產(chǎn)業(yè)研究機構(gòu)IHS評估，最快在2023年即將出現(xiàn)量產(chǎn)8吋晶圓。但面對SiC晶錠切片設(shè)備問題與挑戰(zhàn)，如日本大廠DISCO、Infineon（德）、SILTECTRA採取先進雷射切割，切割6吋速度達到10min/片、磨拋切片料損80μm，約占13%。
另因應(yīng)現(xiàn)今全球碳化矽晶圓材料短缺且昂貴，4吋碳化矽晶圓售價高達600美元以上；研磨拋光設(shè)備則由日系大廠DISCO與SPEEDFAM壟斷，長遠來看，將嚴重影響臺灣產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。如果能更方便加工，提高在量產(chǎn)效應(yīng)下的生產(chǎn)效率，將有助於壓低半導(dǎo)體材料及其元件、模組的價格。
臺灣在SiC晶圓製造（切割、研磨及拋光等）方面，雖有製造廠（環(huán)球晶、漢磊及太極等）及設(shè)備商（創(chuàng)技、世極、凱勒斯）投入，但使用傳統(tǒng)機械加工與國外進口設(shè)備並進方式，成本高、速度慢、製程技術(shù)仍落後國外。
| 圖三 : 臺灣在SiC晶圓製造方面，雖有晶圓製造、設(shè)備商投入，但使用傳統(tǒng)機械加工與國外進口設(shè)備並進方式，成本高、速度慢、製程技術(shù)仍落後國外。（攝影：陳念舜） |
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南分院也提出製程調(diào)整的解決方案之一，便是可透過超快雷射改質(zhì)軟化方法，先將長晶所得晶柱切片與整形，再利用線鋸切割成晶片，經(jīng)研磨提高平整度、降低粗糙度；經(jīng)過超快雷射誘發(fā)多光子分子鍵解離效應(yīng)，破壞聚焦處的碳化矽半導(dǎo)體材料鍵結(jié)，分解成矽（Si）、碳（C）與非晶態(tài)碳化矽（Amorphous SiC），將呈現(xiàn)柱狀週期性微結(jié)構(gòu)軟化晶圓表面。
之後將經(jīng)由拋光過程的機械應(yīng)力輕易去除，大幅降低SiC硬度90%以上，再導(dǎo)入一般SiC晶圓化學機械拋光製程工序快速移除軟化層，去除預(yù)定深度的SiC，並達成晶圓/片規(guī)格，加速SiC晶圓的製程效率約30%，即可大幅減省拋光研磨製程的時間與耗材、料損。
同時利用其前身為工研院雷射中心優(yōu)勢，具備完善的雷射源與光學系統(tǒng)開發(fā)能量，適合開發(fā)雷射輔助改質(zhì)系統(tǒng)，發(fā)展軟化SiC晶圓技術(shù)，用以加快拋光效率；進而導(dǎo)入臺灣精密機械、加工業(yè)可涉足的雷射輔助切割研磨SiC晶錠應(yīng)用，從入料、超音波裂片、分離晶錠與晶圓、晶錠研磨，直到雷射改質(zhì)。
進而在SIC晶錠雷射改質(zhì)技術(shù)策略上，分別布局：
1.雷射源壓縮模組「切得好」：如Wolfspeed、DISCO藉由調(diào)整雷射源的功率與聚光點位置，在塊狀晶體內(nèi)形成損傷，減少晶體材料的切口損失，專利脈衝寬度調(diào)變技術(shù)則朝向更短脈衝雷射布局態(tài)勢。南分院為此開發(fā)出超快雷射極短脈衝壓縮模組，壓縮每發(fā)雷射脈衝寬度至140fs（2025年<100fs），以降低雷射作用於SiC的熱影響，從而減少料損，驗證後可降低切割熱效應(yīng)，減少料損；
2.光路的聚光點掃描加工方式「切得快」：著重於面狀、圓形等單點聚焦高斯光斑雷射改質(zhì)方法，整體產(chǎn)速慢、改質(zhì)料損大。南分院為此開發(fā)水平線性光路模組，將雷射光整型聚焦成均勻水平長形光條，提升改質(zhì)能量均勻與產(chǎn)速，估計Aspect Ratio達12.72（254.6μmx20μm）、均勻度82.5%（2025年1500μmx10μm）。
同時確保4吋SiC晶錠切割品質(zhì)驗證，研磨後料損僅86μm（表片粗糙度Sz=76μm），優(yōu)於傳統(tǒng)鑽石切割料損260μm。2025年切割速度≦18mins/片、研磨損失≦50μm。
再將雷射改質(zhì)後的晶錠，透過超音波裂片模組施加15~35Hz特定頻率，震盪改質(zhì)後的裂紋進行延伸與擴張；利用調(diào)整超音波頭與晶錠間距及功率，完成6吋晶錠裂片，切割速度達到28mins/片、材料損失降低至≦80μm將晶錠與晶圓分離，比起鑽石線切割速度提升5倍、材料損失減少3倍以上，基板製造成本占比降至40%；最後以真空吸附方式取下晶圓，此高效生產(chǎn)系統(tǒng)預(yù)估可減少80%能耗，無化學切削液污染的乾式製程可滿足ESG永續(xù)發(fā)展。
南分院表示，透過導(dǎo)入雷射輔助SiC晶圓快速拋光製程，估計可提升整體製程效率30%及生產(chǎn)效率，進而帶動臺灣廠商及早切入SiC半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，突破外商限制，建立領(lǐng)先國際的次世代晶圓及生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)，維持臺灣韌性供應(yīng)鏈的競爭優(yōu)勢。
2022年已在經(jīng)濟部支持下，成功開發(fā)出SiC晶錠雷射切割加工關(guān)鍵技術(shù)、晶錠移載等試量產(chǎn)設(shè)備，在南臺灣建構(gòu)完善的化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)設(shè)備與製造能力，增加半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)量能及就業(yè)機會。
且因為晶錠裂片表面粗糙度約為66μm，還須經(jīng)過研磨設(shè)備進行表面研磨，才能繼續(xù)進行雷射改質(zhì)製程。南分院也特別開發(fā)專用於4吋~8吋SiC晶錠研磨設(shè)備，並透過即時厚度量測系統(tǒng)監(jiān)控，將晶錠表面粗度研磨至nm等級，再利用機器人傳輸?shù)嚼咨涓馁|(zhì)設(shè)備，進行下一道次的雷射切割製程。
南分院打造測試驗證平臺服務(wù) 加速成立化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聚落
值得一提的是，為了過去化合物半導(dǎo)體材料開發(fā)流程只能各憑本事，上下游無法接軌運作，只能進口居多。工研院電光系統(tǒng)所營運總監(jiān)朱慕道指出，南分院還自2018年成立臺南、高雄實驗室，並提出「南方雨林計畫」，輔助化合物半導(dǎo)體開發(fā)業(yè)者落地，並建置材料、元件特性與製程驗證、電性評價平臺等雛型品驗證服務(wù)（α-site），即時改善以協(xié)助材料最佳化、縮短開發(fā)過程，以快速導(dǎo)入市場。
| 圖四 : 工研院電光系統(tǒng)所營運總監(jiān)朱慕道指出，南分院自2018年成立臺南、高雄實驗室，輔助化合物半導(dǎo)體開發(fā)業(yè)者落地，並建置材料、元件特性與製程、電性評價平臺等雛型品驗證服務(wù)。（攝影：陳念舜） |
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包括因晶圓切割表面易受機械加工形成鋸痕與次表面損傷層（Sub Surface Damage；SSD），SSD驗證對於提高晶圓表面品質(zhì)、平坦度非常重要，但因為SiC晶圓堅硬且化學穩(wěn)定性高，SSD檢測困難而常被業(yè)者忽略，有賴於該平臺建立快速簡易的SSD驗證方法，以協(xié)助臺廠優(yōu)化晶圓製程，提高拋光品質(zhì)。
進而攜手半導(dǎo)體/封裝廠等End Users，推動下游產(chǎn)品試量產(chǎn)驗證（β-site）鏈結(jié)α-site，以及導(dǎo)入可靠度測試、失效分析等品質(zhì)管理手法，協(xié)助廠商提升試量產(chǎn)批次穩(wěn)定性，確保材料能被「作得對又好」，與業(yè)界共同建立至少13項標準，促其提高使用意願，也助於評估開發(fā)6吋SiC晶圓切割拋磨的品質(zhì)驗證。
未來還可望藉此研發(fā)利基，力推於2025年達成開發(fā)8吋長晶、晶錠雷射切割設(shè)備與模組，以及關(guān)鍵製程材料自主化，彌補Disco的6吋切割設(shè)備僅獨家供應(yīng)Wolfspeed，臺灣以進口鑽石線切割設(shè)備為主的缺口。
最終基於臺灣功率元件廠商規(guī)模較小，不易取得系統(tǒng)驗證環(huán)境，導(dǎo)致因產(chǎn)業(yè)認證時間過長，面臨經(jīng)營資金壓力，南分院因此發(fā)展運作AQG-324高功率元件/模組與測試驗證平臺與上線服務(wù)，確保可通過ISO 17025認證。
最終經(jīng)由跨業(yè)整合材料、製造、設(shè)備、設(shè)計、模組系統(tǒng)與測試串聯(lián)產(chǎn)業(yè)鏈，建立化合物半導(dǎo)體技術(shù)與測試驗證中心與南部新興產(chǎn)業(yè)聚落，以吸引學研界能量培育人才，將材料生產(chǎn)落地高雄、元件製造在南科、模組系統(tǒng)與試量產(chǎn)在新竹/沙崙院區(qū)等，以吸引國際合作、挹注廠商資源，而投入化合物半導(dǎo)體策略與布局。
**刊頭圖（攝影：陳念舜）
