【圖解】第3類半導體挑戰、機會在哪？5大製程帶你一次看

打造一顆具備訊號處理能力的晶片，就像蓋房子一般，從設計、建材到最後裝潢，各個環節都不容輕忽。由「矽」（Si）打造的第1類半導體，已走過60多個年頭，製程趨於成熟，有一套標準化的生產流程，對應到晶片製造程序，就是從晶圓（基板＋磊晶）→設計→製造→封裝。

這套製程長期的發展，基本上是持續推進摩爾定律（Moore's Law；意指在相同尺寸的晶片上，可容納的電晶體數量，大約每隔18個月就會增加1倍，性能也會提升1倍）。而加碼投資先進封裝製程、力求在單一晶片上堆疊更多電晶體，以提升晶片效能與降低耗電量，也是全球晶圓代工龍頭台積電長期努力的方向。

目前矽是主流半導體材料，在全球半導體市占約9成，而第2類半導體如砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP），多用於通訊、感測相關產品，產值與應用範圍都比較小，因此本文主要以第1類和第3類半導體做比較。

碳化矽原料難取得，生產門檻更高

與矽晶片製程相似，第3類半導體材料同樣需要經過基板、磊晶、IC設計、製造、封裝等步驟，才能產生出一顆晶片。不過，由於第3類半導體發展歷史僅矽半導體一半，從製程的前段材料與長晶就有許多挑戰，像是源頭的材料配方和長晶爐的設計，專利都掌握在國外大廠手中，而長晶爐又攸關晶錠品質優劣，也牽動了後續切割成基板的良率高低。

從製程源頭的材料面來看，第3類半導體又分為碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）兩種材料。

高純度的碳化矽材料取得不易，源頭集中於美國、日本與俄國等國。高純度的碳化矽大多用於軍用雷達、國防應用相關領域，被視為戰略性物資，加上高純度碳化矽材料成本是一般純度的10倍，較少人會直接購買高純度材料。

工研院產科國際所研究總監楊瑞臨指出，通常市面上流通的碳化矽粉體是一般等級的材料，由廠商進口後自行純化碳化矽材料，但是否可以提煉出高純度的碳化矽，就得各憑本事。此外，碳化矽硬度極高（僅次鑽石），切割、研磨與拋光等加工製程難度相對較高，所以具備生產製造能力的廠商非常少，形成寡占市場。

以基板為例，美國Wolfspeed（前身為Cree）就占了將近6成市占率，其次為日本羅姆半導體（ROHM）、美國貳陸（II-VI）等業者。

對照碳化矽，台灣在氮化鎵的發展速度較快。由於氮化鎵晶圓的製造方式，是在其他材料的基板上生長出新結晶，比方藍寶石、矽或碳化矽，台廠矽製程掌握度高，設備也具通用性。

目前基板材料中，矽基氮化鎵（GaN on Si）主要用於快充、電動車領域，而碳化矽基氮化鎵（GaN on SiC）則主要用於基地台、衛星通訊等地。不過，氮化鎵磊晶也有不小挑戰，原因是氮化鎵經常是透過異質材料基板生成結晶，容易產生晶格不匹配而翹曲（warpage）破片，磊晶技術優劣，又會大幅影響良率。

比起第3類半導體在製程前端（材料取得、基板、磊晶）難度較高，台灣企業在中下游的IC設計、製造生產／封測等階段，較有發揮優勢的空間，基本上能建立在既有矽產業基礎上，同步研發新技術。例如台積電就是採取矽基氮化鎵技術，幫氮化鎵功率IC龍頭納微（Navitas）代工，以最有效方式搶進市場。

世界先進董事長方略指出，第3類半導體與第1類半導體生產管理、製造流程通用，部分技術也有重疊。像是氮化鎵可以整合現在相對成熟、有部分CMOS（互補式金屬氧化物半導體）技術應用於高頻率元件產品。

至於IC設計環節上，第3類半導體的設計程序與第1類半導體無太大差異，需進行規格定義、製程選擇、架構選擇、電路設計、可靠性分析等過程，只是因為兩者間的材料特性非常不一樣，因此在設計時，研發人員要更能掌握對碳化矽、氮化鎵材料特性的理解，以利產品能順利量產。

最後的製造與封測階段，雖然台灣第3類半導體產業發展尚未規模化，沒有相關的機器設備商，但已有廠商積極布局中，希望能夠同步掌握製造與封測的能力。

像是矽晶圓代工二哥聯電，早已投入氮化鎵功率元件與射頻（RF）元件製程開發，日前更以54億元入股第9大封測業者頎邦科技，以強化第3類半導體製造能力。

責任編輯：吳佩臻、張庭銉、林美欣

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