名家論
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2022.12.20 產業與科技
強化半導體競爭力 建碳化矽晶圓自主生態鏈/曹芳海
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2022.12.20 產業與科技
強化半導體競爭力 建碳化矽晶圓自主生態鏈/曹芳海
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作者:曹芳海/經濟部技術處化合物半導體晶錠切割設備關鍵技術計畫主持人
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化合物半導體的「碳化矽(SiC)」和「氮化鎵(GaN)」擁有高耐壓及高切換頻率特性,可用於提升電動車動力系統及風電系統的功率轉換性能,是未來落實節能減碳不可或缺的關鍵技術,吸引全球大廠爭相投入。

 

其中,碳化矽晶圓為發展高耐壓功率元件的重要基礎材料,元件高耐壓與散熱設計亦有別於消費性應用,若過度依靠國際供應,中下游產業發展恐將受制於人,國內必須建立自主技術與產業鏈體系,強化基本供應能力。目前國內業者在上游碳化矽晶圓生產設備與材料已具基礎能力,但與國際領先業者仍有差距;下游應用則以電動車產業最具潛力,是國內業者急欲進入之領域,尤其在車輛供應鏈,因安規與耐久學習曲線,更需加快投入。

 

國內已凝聚技術布局共識,在2022年啟動四年期化合物半導體研發計畫,聚焦發展8吋長晶設備及關鍵材料,並發展提升晶碇切割效益之技術,完善碳化矽晶圓自主供應能力。應用端則聚焦車用高壓元件與功率模組設計,接軌國內電動車發展;中段的化合物半導體磊晶與元件製造,將借重國內產業及化合物半導體廠商之能量,目標2025年趕上國際。

 

經濟部技術處為協助產業搶占先機,過去藉科技專案支持法人發展碳化矽粉體技術,與開發4吋至6吋碳化矽長晶關鍵技術,奠定國內碳化矽產業鏈發展基礎。中科院與半導體業者如環球晶、穩懋等合作,發展高頻通訊用半絕緣碳化矽技術,搭配業者如漢民、環球晶等也投入長晶技術及設備研發。為鼓勵廠商在碳化矽晶圓技術趕上國際大廠,政府今年起啟動研發補助機制,協助廠商投入8吋碳化矽長晶設備與技術研發,目前已有數家廠商遞案申請。

 

碳化矽因生產過程緩慢且材質堅硬,因此碳化矽晶圓生產與薄化成為關鍵瓶頸,且尺寸愈大難度愈高。使用鑽石線切割為現階段主流,須要在低速下進行,過程中鑽石線壽命短且晶圓容易破裂造成損耗,因此業界開始發展非接觸式的雷射切割。

 

科技專案支持工研院發展出連續波高功率雷射與奈秒脈衝光纖雷射等技術,並扶植國內雷射源廠商(如杰等)與設備廠商發展雷射應用設備,導入雷射銲接與精微加工產線應用,且與德國雷射大廠TRUMPF於台南六甲建置「先進雷射應用服務中心」,為半導體產業提供精微製程快速打樣服務。

 

碳化矽長晶完成後,需有先進的切割技術來搭配,2022年起法人投入發展碳化矽晶圓的雷射改質與裂片技術,開發8吋碳化矽晶圓(基板)生產設備技術,前兩年將以主流的6吋晶錠切割進行技術開發驗證,優化切割技術與設備;後兩年藉由光學調變與設備精進發展8吋碳化矽晶碇切割及驗證,相關規畫已獲廠商如漢民與環球晶認可,將進行產研合作。

 

台灣是全世界的矽半導體產業重鎮,但仍須提升設備與材料掌握度,並在化合物半導體迎頭趕上。政府正加速投入南部科技廊道發展,其中,沙崙智慧綠能科學城是台灣綠能科技產業研發重鎮,適合延伸發展高功率電力應用,碳化矽元件應用設計團隊已在今年5月起進駐沙崙,展開與廠商共同研發活動。預計在四年計畫期間,相關研發活動將活絡台灣化合物半導體技術與應用的產業生態系統,亦能讓碳化矽化合物半導體材料、設備及應用扎根南台灣,促進「大S」科技廊道發展,帶動南台灣產業就業與研發升級。

 

全臺首座「先進雷射應用服務中心」在工研院臺南六甲院區啟用,為半導體產業提供精微製程快速打樣服務,並支持發展碳化矽晶圓雷射切割技術(照片來源:經濟部技術處)

 

(本文內容為作者個人觀點,不代表本部立場)

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