產業脈動｜碳化矽晶圓加工製程趨勢分析

前言

國際產業現況

電動車、5G、再生能源等新穎應用迅速普及，功率及電力元件的需求帶動化合物半導體的蓬勃發展，不僅引發大廠爭相投入，各國亦將其視為國家戰略重點。半導體材料的發展，已從矽、砷化鎵(GaAs)/ 磷化銦(InP)，逐漸往氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)為主的化合物半導體。碳化矽相較於矽(Si)，由於具備擊穿電場高10倍、能隙寬度3倍、功率密度50倍及熱導率3倍的優點，使其較適合作為電力電子充電裝置等高功率元件的材料，應用範圍包含電動車、軌道運輸、風力發電等。根據日商環球訊息有限公司報告數據顯示，2024年全球第三類半導體市場規模預估為325.9億美元，至2029年將達546.9億美元，此期間的複合年成長率約為10.9%。多數業者認為2020年至2025年為碳化矽邁入高度成長之時期，此期間以6吋為主力，複合年增長率約為53.8%；據TrendForce 報告指出，目前8吋SiC產品的市場占有率低於2%，惟預計至2026年將成長至約15%。截至2024年，功率SiC以IDM 為主流商業模式， 例如Wolf-speed、STMicroElectronics、Onsemi及ROHM 等國際大廠主導；然而，基板已逐漸開放外購及委外磊晶加工，如英飛凌、三菱電機及博世專注於元件、裝置製造；Wolf-speed、Resonac及EpiWorld等廠商亦開放市場提供SiC磊晶片，尤以6吋晶圓加速商品化為主。8吋SiC領先的晶圓廠商主要為Wolf-speed，其他如Coherent、TankeBlue、SiCrystal 及SK siltron css亦陸續投產8吋產品。

國內產業現況

根據資策會MIC的報告，2023年臺灣半導體產業產值已達新臺幣3.77兆元，且2024年以13.6%的年成長率增至新臺幣4.17兆元，其中晶圓代工為主要成長動力，尤以先進製造部分表現更為突出。在化合物半導體產值方面，2023年國內產值為新臺幣183億元，相較於2022年下降7%，主因在於國內產業以晶圓代工為主，受到大環境不利的影響。2024年，國內的化合物半導體新晶圓代工產能陸續開出，加上國內功率元件業者紛紛跨足化合物半導體領域， 2025年上看新臺幣221億元。

在臺灣化合物半導體產業鏈的布局方面，以SiC領域而言，中美晶集團最早於2012年投入SiC與GaN材料研究，其旗下的朋程及宏捷科主要應用於車用半導體及通訊半導體市場，形成了一個虛擬的IDM 集團。漢民科技則是臺灣最早布局化合物半導體的公司之一，不僅自行開發SiC基板相關設備及技術，旗下的嘉晶負責磊晶技術，漢磊則負責晶圓代工製造，體系相當完善。鴻海集團看好電動車市場，於2020年成立MIH 電動車聯盟後，已積極布局寬能隙半導體產業，並進行一系列收購與策略投資，2022年亦投資盛新材料，以取得SiC基板的供應來源，目標在2024年量產相關功率元件給MIH 客戶使用。新成立的基板供應商如格棋化合物半導體，其位於中壢的廠房6吋碳化矽基板產量於2024年達月產5000片，而8吋長晶爐預計於2025年底前擴產至200台，至2028年6吋及8吋長晶爐總計將達千台以上。永泉晶圓亦於2024年第二季完成第一階段6吋及8吋晶錠生產設置，未來臺灣在碳化矽基板的供給量能及品質將能趕上國際水準。

目前碳化矽功率元件以6吋基板為主流，從6吋跳到8吋除了長晶技術已逐步克服瓶頸外，碳化矽基板整體加工仍有幾個困難點：(1)長晶時間長，且同時要改善微管、錯位、電阻率等材料特性，為複雜的工程技術，需要眾多專業的研發人力來支持；(2)晶錠分片與晶圓減薄困難；(3)研磨與化學機械研磨(Chemical-Mechanical Planarization, CMP)耗時；碳化矽的元件根據TrendForce統計，參考圖1，目前基板仍是成本最高的部分佔據整體成本近50%，磊晶占成本約23%、晶片製程20%，封測則為7%，因此積極的降低基板成本是發展碳化矽產業的極重要課題，一般分為長晶的技術改良以及基板加工技術的改善兩個方向進行。本文將針對有關長晶後的晶錠加工製程，整理目前業界加工技術的發展趨勢。