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在二次世界大戰結束後、過著周遊列國退休生活的名偵探白羅,這次來到觀光勝地水都威尼斯,卻在半推半就參加一場通靈會時,又遇上一位來賓慘遭謀殺,令他當場被迫復出,只能靠他無人能及的推理功力破案,但他這次要揪出的兇手不只是人,更有可能是鬼!
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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