目前在提升再生能源裝置容量和能源效率，皆有高度關聯性的關鍵技術，莫過於利用化合物半導體來製造高效能功率半導體元件，以承受高電壓、高溫衝擊。台灣廠商還具備過去多年來於矽基半導體產業累積的基礎，且有如工研院等法人單位輔導，正積極投入建立材料開發、雷射輔助加工製程等測試驗證平台和服務，將加速產業聚落成型。

尤其是伴隨著交通運具電動化與提升能源效率等需求，包括：碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）、InP、Ga₂O₃、AIN等化合物半導體，因為比起傳統矽基材料（Si-based）具備更寬裕的能隙特性，用來製造高效能功率半導體晶片元件，將可有效減省約50%電能轉換損耗、20%電源轉換系統成本，所以極適合提供高功率（>400V）、高電能轉換效率應用，滿足耐高壓（>800V）、高溫及高頻需求。

工研院在2023年舉行的「南台灣策略論壇」也指出，如今化合物半導體已逐漸導入電動車及充電樁、再生能源發電與傳輸，甚至是低軌衛星、5G/6G高頻通訊、人工智慧（AI）基礎裝置、工業設備等低碳生活模式，減省充電時間和電池成本，而極富有戰略意義。依工研院南分院預估其中SiC晶圓市場快速成長（CAGR~15%），2028年全球規模將達到17億美元。

圖一 : 如今化合物半導體已逐漸導入電動車及充電樁、再生能源發電與傳輸，甚至是低軌衛星、5G/6G高頻通訊、人工智慧（AI）基礎裝置、工業設備等低碳生活模式，而極富有戰略意義。（source：II-VI-SiC-for-5G）

台灣藉矽基產業築底　構建化合物半導體代工能量

惟若進一步分析現今高功率半導體元件挑戰，便是約有50%成本來自SiC長晶材料和高品質基板，仍由少數國外大廠主導，整體基板產量不足，6吋N型SiC晶圓成為量產主流，也將是台灣半導體產業為來追求上游材料自主化的契機。

然而，基於化合物半導體種類繁多，對於材料自主化與在地設備挑戰大，亟待評估量體較大的材料「優化技術」，並建立「設備改造」能力。台灣因為過去在深耕矽基半導體材料和製造使用技術上，具有漫長且成功的歷史。包括在上游元件製程與下游次系統都有企業長期耕耘，掌握電路整合、成本控制能力，進而打造完整資通訊、汽車電子產業鏈，適合發展化合物半導體材料、製程設備，以及IC設計、封測和模組終端應用。

但如今產業仍處於起步階段，包括上游粉體、長晶及晶球、晶錠、磊晶等原材料，以及元件製造與設計、設備來源皆仰賴進口，又以歐美日IDM廠商為主。未來則可能與垂直分工模式並存，適合引進國外系統廠商，代工製造將是台灣產業轉型，有潛力參與功率電子產業發展的機會。從元件設計、磊晶製造、封裝測試、模組系統等，亟待設立「成品驗證場域」；同時培養或招募足夠國內外化合物半導體人才，投入研發資源，以建立上位戰略智權能量。

圖二 : 如果能更方便加工，提高在量產效應下的生產效率，將有助於壓低半導體材料及其元件、模組的價格。（source：ii-vi.com）

雷射輔助SiC改質加工　提升效率與品質

此外，因為目前商用碳化矽晶圓片製造流程，係先將長晶所得晶柱切片與整形，再利用線鋸切割機切成晶片，經過粗研磨將晶片整平，而提高平整度（Total Thickness Variation；TTV）、並降低粗糙度；透過精密研磨，將表面粗糙度Ra降至3~5nm以下；最後再透過化學機械拋光（Chemical-Mechanical Planarization；CMP），達到成品晶圓片的規格TTV<3μm，Ra<0.3 nm。

但由於SiC材料硬度約為矽基材料的1.8倍，在現已確認的礦物及化合物中位居第三，僅次於鑽石和碳化硼，將造成目前為晶錠切片主流的鑽石線鋸切割技術，在加工製程中磨耗過大且速度緩慢，而成為大面積晶圓製造瓶頸。代表廠商包括：Asahi diamond（日）、DMT（英）、微鑽石設備（台）等，切割速度6吋約2.4小時/片>48小時/晶錠。依工研院南分院舉例說明，透過線切割厚度約600μm晶圓之後，可能僅得350μm晶圓、切片料損約260μm，包括磨拋及切割耗損材料約占43%。

加上因為SiC基板表面上的任何缺陷，都可複製到外延層，導致SiC晶片的表面平坦化對於高性能元件非常重要。惟其超高機械硬度（莫氏硬度9.3）和化學惰性，使之難以同時達成理想的高材料移除率和良好表面平坦度，後續研磨/拋光不易，利用砂輪進行研磨的使用壽命短。

例如以400號砂輪的耗損率約3μm/min為例，砂輪可供磨耗厚度約8mm，換算推得每顆砂輪僅能研磨44小時即須更換，因此增加研磨成本與時間且量產不易；拋光製程則是速率緩慢，移除率僅有6.9nm/min，等於拋光一片碳化矽晶圓約須8~16小時，成為大面積碳化矽晶圓製造瓶頸。

國際大廠為保有技術與生產的優勢，自2019年起宣示投入新建或自6吋改建為8吋晶圓產線，依國際產業研究機構IHS評估，最快在2023年即將出現量產8吋晶圓。但面對SiC晶錠切片設備問題與挑戰，如日本大廠DISCO、Infineon（德）、SILTECTRA採取先進雷射切割，切割6吋速度達到10min/片、磨拋切片料損80μm，約占13%。

另因應現今全球碳化矽晶圓材料短缺且昂貴，4吋碳化矽晶圓售價高達600美元以上；研磨拋光設備則由日系大廠DISCO與SPEEDFAM壟斷，長遠來看，將嚴重影響台灣產業鏈發展。如果能更方便加工，提高在量產效應下的生產效率，將有助於壓低半導體材料及其元件、模組的價格。

台灣在SiC晶圓製造（切割、研磨及拋光等）方面，雖有製造廠（環球晶、漢磊及太極等）及設備商（創技、世極、凱勒斯）投入，但使用傳統機械加工與國外進口設備並進方式，成本高、速度慢、製程技術仍落後國外。

圖三 : 台灣在SiC晶圓製造方面，雖有晶圓製造、設備商投入，但使用傳統機械加工與國外進口設備並進方式，成本高、速度慢、製程技術仍落後國外。（攝影：陳念舜）

南分院也提出製程調整的解決方案之一，便是可透過超快雷射改質軟化方法，先將長晶所得晶柱切片與整形，再利用線鋸切割成晶片，經研磨提高平整度、降低粗糙度；經過超快雷射誘發多光子分子鍵解離效應，破壞聚焦處的碳化矽半導體材料鍵結，分解成矽（Si）、碳（C）與非晶態碳化矽（Amorphous SiC），將呈現柱狀週期性微結構軟化晶圓表面。

之後將經由拋光過程的機械應力輕易去除，大幅降低SiC硬度90%以上，再導入一般SiC晶圓化學機械拋光製程工序快速移除軟化層，去除預定深度的SiC，並達成晶圓/片規格，加速SiC晶圓的製程效率約30%，即可大幅減省拋光研磨製程的時間與耗材、料損。

同時利用其前身為工研院雷射中心優勢，具備完善的雷射源與光學系統開發能量，適合開發雷射輔助改質系統，發展軟化SiC晶圓技術，用以加快拋光效率；進而導入台灣精密機械、加工業可涉足的雷射輔助切割研磨SiC晶錠應用，從入料、超音波裂片、分離晶錠與晶圓、晶錠研磨，直到雷射改質。

進而在SIC晶錠雷射改質技術策略上，分別布局：

1.雷射源壓縮模組「切得好」：如Wolfspeed、DISCO藉由調整雷射源的功率與聚光點位置，在塊狀晶體內形成損傷，減少晶體材料的切口損失，專利脈衝寬度調變技術則朝向更短脈衝雷射布局態勢。南分院為此開發出超快雷射極短脈衝壓縮模組，壓縮每發雷射脈衝寬度至140fs（2025年<100fs），以降低雷射作用於SiC的熱影響，從而減少料損，驗證後可降低切割熱效應，減少料損；

2.光路的聚光點掃描加工方式「切得快」：著重於面狀、圓形等單點聚焦高斯光斑雷射改質方法，整體產速慢、改質料損大。南分院為此開發水平線性光路模組，將雷射光整型聚焦成均勻水平長形光條，提升改質能量均勻與產速，估計Aspect Ratio達12.72（254.6μmx20μm）、均勻度82.5%（2025年1500μmx10μm）。

同時確保4吋SiC晶錠切割品質驗證，研磨後料損僅86μm（表片粗糙度Sz=76μm），優於傳統鑽石切割料損260μm。2025年切割速度≦18mins/片、研磨損失≦50μm。

再將雷射改質後的晶錠，透過超音波裂片模組施加15~35Hz特定頻率，震盪改質後的裂紋進行延伸與擴張；利用調整超音波頭與晶錠間距及功率，完成6吋晶錠裂片，切割速度達到28mins/片、材料損失降低至≦80μm將晶錠與晶圓分離，比起鑽石線切割速度提升5倍、材料損失減少3倍以上，基板製造成本占比降至40%；最後以真空吸附方式取下晶圓，此高效生產系統預估可減少80%能耗，無化學切削液污染的乾式製程可滿足ESG永續發展。

南分院表示，透過導入雷射輔助SiC晶圓快速拋光製程，估計可提升整體製程效率30%及生產效率，進而帶動台灣廠商及早切入SiC半導體材料的關鍵生產技術和設備，突破外商限制，建立領先國際的次世代晶圓及生產設備技術，維持台灣韌性供應鏈的競爭優勢。

2022年已在經濟部支持下，成功開發出SiC晶錠雷射切割加工關鍵技術、晶錠移載等試量產設備，在南台灣建構完善的化合物半導體產業設備與製造能力，增加半導體相關產業量能及就業機會。

且因為晶錠裂片表面粗糙度約為66μm，還須經過研磨設備進行表面研磨，才能繼續進行雷射改質製程。南分院也特別開發專用於4吋~8吋SiC晶錠研磨設備，並透過即時厚度量測系統監控，將晶錠表面粗度研磨至nm等級，再利用機器人傳輸到雷射改質設備，進行下一道次的雷射切割製程。

南分院打造測試驗證平台服務　加速成立化合物半導體產業聚落

值得一提的是，為了過去化合物半導體材料開發流程只能各憑本事，上下游無法接軌運作，只能進口居多。工研院電光系統所營運總監朱慕道指出，南分院還自2018年成立台南、高雄實驗室，並提出「南方雨林計畫」，輔助化合物半導體開發業者落地，並建置材料、元件特性與製程驗證、電性評價平台等雛型品驗證服務（α-site），即時改善以協助材料最佳化、縮短開發過程，以快速導入市場。

圖四 : 工研院電光系統所營運總監朱慕道指出，南分院自2018年成立台南、高雄實驗室，輔助化合物半導體開發業者落地，並建置材料、元件特性與製程、電性評價平台等雛型品驗證服務。（攝影：陳念舜）

包括因晶圓切割表面易受機械加工形成鋸痕與次表面損傷層（Sub Surface Damage；SSD），SSD驗證對於提高晶圓表面品質、平坦度非常重要，但因為SiC晶圓堅硬且化學穩定性高，SSD檢測困難而常被業者忽略，有賴於該平台建立快速簡易的SSD驗證方法，以協助台廠優化晶圓製程，提高拋光品質。

進而攜手半導體/封裝廠等End Users，推動下游產品試量產驗證（β-site）鏈結α-site，以及導入可靠度測試、失效分析等品質管理手法，協助廠商提升試量產批次穩定性，確保材料能被「作得對又好」，與業界共同建立至少13項標準，促其提高使用意願，也助於評估開發6吋SiC晶圓切割拋磨的品質驗證。

未來還可望藉此研發利基，力推於2025年達成開發8吋長晶、晶錠雷射切割設備與模組，以及關鍵製程材料自主化，彌補Disco的6吋切割設備僅獨家供應Wolfspeed，台灣以進口鑽石線切割設備為主的缺口。

最終基於台灣功率元件廠商規模較小，不易取得系統驗證環境，導致因產業認證時間過長，面臨經營資金壓力，南分院因此發展運作AQG-324高功率元件/模組與測試驗證平台與上線服務，確保可通過ISO 17025認證。

最終經由跨業整合材料、製造、設備、設計、模組系統與測試串聯產業鏈，建立化合物半導體技術與測試驗證中心與南部新興產業聚落，以吸引學研界能量培育人才，將材料生產落地高雄、元件製造在南科、模組系統與試量產在新竹/沙崙院區等，以吸引國際合作、挹注廠商資源，而投入化合物半導體策略與布局。

**刊頭圖（攝影：陳念舜）