基板（Substrate）：在黑盒子中製造長晶，難度最高

要生產出碳化矽（SiC）單晶（monocrystal或single crystal）基板，須從長晶（生長碳化矽單晶）做起，作法是將碳化矽粉體倒入長晶爐，在高溫且密閉的空間使其昇華，讓晶源粉末的蒸汽冷凝後，附著在碳化矽晶種上。
 

碳化矽的長晶完全是在「黑盒子中」製造，因為生產製造的過程中需要維持在高溫（大於2100℃）環境下運作，且須保持低壓、長時間穩定的狀態，這也意味著做出來的品質、成果會在最後一刻才揭曉答案。
 

因為看不到坩堝內碳化矽結晶的狀況，因此要控制得好，讓碳化矽的原子能適當排列並附著在起始的晶種上面，除了晶種本身的品質非常重要之外，熱場設計及坩堝材質等因素，都會影響基板品質的好壞 。
 

國立陽明交通大學國際半導體產業學院院長張翼指出，基板是一種純材料的技術，需要具備高溫熱力學的專業知識，不是買設備就可以自行製作，沒有一定程度的技術來源，很難做出品質好的基板，尤其是在完全密閉的空間裡進行，設計難度也相對比較高。
 

此外，與矽相比，碳化矽因材料特性使然，長晶速度與晶錠（或稱晶棒，Ingot）高度差異甚大，碳化矽需要7天時間才能長出2～5公分的晶錠，矽則是3天就能製作出200公分的晶棒，長晶效率相差100～200倍。
 

長成晶柱的碳化矽晶錠，首先會切割成晶片，經過機械研磨、化學侵蝕，將表面磨得光滑如一面鏡子，最後成為積體電路（IC）基板。
 

目前主流的碳化矽基板為6吋（150mm），而意法半導體（ST）率先於2021年8月宣布，在瑞典Norrköping工廠製造出全球首批量產8吋（200mm）碳化矽基板。預期2022年起，基板大廠Wolfspeed（前身為科銳Cree）、貳陸（II-VI）及Qromis也將陸續推出8吋碳化矽量產基板，可望大幅提升全球第3類半導體晶片產能。

磊晶（Epitaxy）：碳化矽基氮化鎵，被視為未來主流

磊晶是指透過在原有的基板上，長出薄薄一層結晶，以達到強化工作效能的目標。通常在磊晶過程中，會經過2個步驟：先在基板表面沉積化學物質，而後才會在基板上形成薄膜，俗稱磊晶。
 

就難度來講，碳化矽磊晶的挑戰相對較小，因為碳化矽採用的磊晶材料與基板相同，晶格匹配度較高，主要用途是優化晶圓的晶體結構和品質。相較之下，第3類半導體的另一個關鍵材料——氮化鎵（GaN），磊晶技術的好壞就是非常關鍵的要素。
 

受限於材料本身的特性，氮化鎵基板（目前用於功率元件的基板，還在研發階段）尚未量產，即使做成了氮化鎵基板，成本也高達2000～3000美元，比一般矽基板（僅35～55美元）貴上許多。因此，氮化鎵大多是在矽、碳化矽或藍寶石基板上磊晶，以加速產品上市時間。
 

出於成本考量，加上與互補式金屬氧化物半導體（CMOS）製程相容，現階段主流的氮化鎵技術是將氮化鎵磊晶長在矽之上的矽基氮化鎵（GaN on Si）方案。台積電即是採用此晶圓代工技術，為第3類半導體元件龍頭納微半導體（Navitas）代工生產氮化鎵功率元件。
 

長期而言，碳化矽基氮化鎵（GaN on SiC）被視為是未來的主流技術，因為碳化矽基板的導熱性優異，氮化鎵磊晶層的品質較佳，適合高溫、高頻、高功率的產品，如5G基地台、低軌衛星應用。
 

整體來看，無論是碳化矽或氮化鎵，將來在應用上都會用到碳化矽基板，「得碳化矽基板者得天下」已成為業界共識，國際大廠也陸續透過併購，取得碳化矽基板技術。
 

張翼分析，台灣過去在LED（發光二極體）產業中，已累積不少氮化鎵磊晶的相關技術和製作磊晶的設備商，這些磊晶設備商會與做磊晶的業者互相交流，因此技術門檻相對不高。國內目前也有環球晶、盛新材料和穩晟投入相關技術，期盼在第3類半導體大戰中，為下一座護國神山打下地基。

IC設計：上游材料、後端製程，都會影響良率

對於IC設計來說，由於高純度的碳化矽材料取得不易，再加上碳化矽基板、磊晶製程困難，對IC設計是很大挑戰，因為「要拿到長得很整齊的基板、磊晶不容易，這也是決定良率很大的因素。」強茂營運長陳佐銘說。
 

IC設計的好壞，不僅受上游晶圓製作的影響，也與下游晶圓代工的環節息息相關。國立中央大學校長副校長綦振瀛指出，製作第3類半導體晶片，IC設計商一定要與晶圓代工廠密切合作，確保設計出來的產品能夠有相對應的製程，才能做出元件。
 

陳佐銘補充，IC設計過程中，需要考量材料品質而調整設計，若只是將設計做得很理想，但後端製程做不到設計要求也是徒勞。
 

綦振瀛強調，第3類半導體的材料與製程還不是很成熟，因此設計的產品與製造出的成品常有特性差異（因材料品質或製程條件的變動而偏離目標值）與穩定度問題，因此要發展相關晶片，IC設計者必須了解材料的元件特性才有利於產品開發。
 

目前第3類半導體強者大多集中於歐美兩地，源自於地方產業的帶動所致，如汽車、工業，對於功率元件需求龐大，讓第3類半導體有發展舞台。台灣產業則較偏重消費型電子產品，側重邏輯、數位、通訊晶片設計，這也是台灣即使有多家IC設計業在全球前10名，在第3類半導體仍有人才稀缺的問題。

製造、封測：台灣可借重矽製程經驗，解決材料挑戰

相比於第1類半導體「矽製程」的製造與封裝，動輒需要整合30～40層材料，國立陽明交通大學國際半導體產業學院院長張翼認為，第3類半導體僅需10～20層，難度應該屬於中等。
 

不過，層數少，雖說複雜度較低，卻未必簡單。受限於材料的不同，每一步的層數疊加都有其挑戰。鴻海研究院半導體研究所所長郭浩中指出，第3類半導體製造與封測的技術門檻，來自於材料、製程經驗，以及後端的封裝技術，懂得材料的know-how（知識技能），才有辦法做出來。
 

此外，也因為材料的不同，許多製程必須透過不同的機器來執行，無法與過去的矽製程設備完全通用，因此，機器生產製造商與晶圓代工的製造商必須共同討論製程研發的需求，以開發適用的機器設備。現階段，由於台灣的第3類半導體產業尚未規模化發展，市場上並沒有相關的機器設備供應商。
 

不過，由於台灣在矽的製造、封測製程上，原本就擁有高度的技術含量，長久來看仍可借重矽微影、薄膜、蝕刻等製程生產製造流程的基礎，以解決材料挑戰。
 

張翼分析，台灣的主要優勢是技術研發的速度快、成本低，如果可以結合過去矽的產業聚落，即使投入的時間、資金落後於歐美國家，未來在量產時不一定會持續落後，甚至有可能反轉局勢。
 

舉例來說，台灣的封裝產業過去已累積相當多應用於功率元件，以矽為基礎的IGBT（絕緣閘雙極電晶體）封裝測試技術，要將相關技術從矽轉移到第3類半導體相對容易，所以將來量產第3類半導體，台灣仍占有許多優勢。

IDM：第3類半導體的主流運作方式

IDM是指垂直整合製造商（Integrated Device Manufacturer, IDM），意味可以*從晶片設計、生產製造、封裝測試等都一手包辦的公司，這種商業模式也是半導體發展之初的主要運作方式，如早期的英特爾（Intel）。
 

然而，隨著產業的發展和半導體製程的演進，在設計、技術研發上的成本拉高，生產製造的費用也不停墊高，半導體產業鏈一條龍的運作模式逐漸出現轉變，半導體市場逐漸走向專業分工，例如晶圓、IC設計、製造代工、封測等流程，形成更多半導體產業的切分。
 

如今，進入第3類半導體領域，由於產業發展處於較初期階段，研發成本不像第1類半導體產業追逐先進製程，動輒斥資千億美元，而且大多數專利還都掌握在少數廠商手中，因此多由IDM公司主導，關鍵業者包括英飛凌（Infineon）、羅姆半導體（ROHM）、安森美（onsemi）、恩智浦（NXP）與Wolfspeed。


責任編輯：林美欣


文章來源：數位時代