碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN）作為新世代寬能隙半導體（Wide Bandgap Semiconductors, WBGS），正在顛覆傳統矽材料的應用格局。它們具備耐高溫、高壓、高頻、低耗損等優勢，特別適合電動車、5G/6G通訊、再生能源、快速充電等高效能領域。與矽相比，碳化矽與氮化鎵能在更極端的環境下維持穩定運作，同時大幅減少能量損耗，推動全球半導體產業進入新階段。
目錄
碳化矽與氮化鎵優勢
碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN）雖同屬化合物半導體，但各自展現出在高效能電子領域不可替代的材料優勢。
碳化矽SiC
- 高擊穿電壓：可承受遠高於矽的電壓，適合高壓功率應用。
- 高熱導率：散熱效率佳，可在高溫環境穩定運作。
- 低導通電阻：降低能量損耗，提升系統效率。
氮化鎵GaN
- 高電子遷移率：開關速度快，適合高頻應用。
- 高頻特性：支援 GHz 級運作，縮小元件體積並提升轉換效率。
- 低散熱需求：減少散熱系統體積與成本。
兩者不僅突破了傳統矽基材料在功率與頻率上的限制，更為高效能、低能耗的先進電子系統奠定了核心基礎。
氮化鎵製程關鍵：HVPE與氨熱法
氮化鎵的基板生長技術決定了其性能與成本：
氫化物氣相外延法（HVPE）
- 利用氫氣作為載氣，將氯化氫（HCl）與鎵（Ga）反應生成氯化鎵（GaCl），再與氨（NH₃）反應生成 GaN 晶體。
- 製程溫度約 1000°C，可快速生長大量 GaN。
- 缺點：容易產生裂縫與晶格缺陷，晶體品質較差。
氨熱法（Ammonothermal）
- 利用超臨界氨作為溶劑，在高壓高溫下同時具備液體的溶解能力與氣體的擴散性。
- 透過氨溶解鎵並沉積生成 GaN 晶體。
- 優點：溫度較低、能耗低、缺陷密度小，適合高品質應用。
- 缺點：生長速度慢，製程較複雜。
碳化矽製程關鍵：昇華法與磊晶技術
碳化矽（SiC）的製程不僅耗時且難度高，從基板生長到功率元件製作，每一步都充滿挑戰。
基板製作：物理氣相傳輸法-昇華法PVT
這是目前 碳化矽基板 生產的主流技術，其製程關鍵與挑戰如下：
- 製程原理：將 SiC 粉體在高溫（約 2,200℃）低壓的密閉環境中昇華，使其蒸氣與 SiC 晶種接觸後凝結、附著，藉此生長出 SiC 晶體。
- 高難度與長時程：相較於矽（Si）晶棒只需數天即可長出數公尺，SiC 晶棒需要 2~3 週才能長出不到 10 公分，且製程中無法即時監測長晶品質，需等到最後才能確認。
- 後續加工：晶體生長完成後，還需經過切割、研磨與拋光等多道工序，才能製成表面光滑、符合規格的基板。
磊晶階段：基板上的新結晶
在基板製作完成後，必須進行 磊晶（Epitaxy） 步驟，在 SiC 基板上生長一層新的結晶，以形成功率元件的結構。
- 技術同步：臺灣在磊晶的基本製程技術方面，已與國際水平同步。
- 元件設計與新製程：然而，SiC 功率元件的設計與製程技術是相互關聯的。若有新的元件設計，往往需要開發新的製程技術來配合，這方面臺灣仍需更多時間來累積經驗。
碳化矽與氮化鎵研磨拋光的「硬核」挑戰
在高效能功率元件與高頻元件的製程中，SiC 與 GaN 雖然具有卓越的材料特性，但其超高硬度、脆性及化學惰性，讓研磨與拋光成為整個製程的技術瓶頸。為了更清楚呈現各材料在後段製程中面臨的挑戰，以下將 SiC 與 GaN 分別列出其在研磨拋光過程中可能遇到的四大難題:
碳化矽SiC的研磨拋光挑戰
- 極高硬度與脆性:SiC 的莫氏硬度達 9.2，接近鑽石等級，加上高脆性，研磨效率低且加工時稍有不慎就可能產生微裂紋或晶圓崩角，降低晶圓完整率。
- 化學惰性:SiC 表面化學穩定性極強，傳統 CMP拋光液液難以作用，需引入高活性氧化劑或金屬催化顆粒，才能形成可去除的氧化層。
- 晶體結構與缺陷:多型結構如 6H-SiC、4H-SiC 具各向異性，研磨速率差異大，微管（Micropipes）與堆疊層錯等缺陷容易在加工中被放大，降低後續製程良率。
- 表面完整性要求:功率元件對表面平整度及缺陷密度極度敏感，原子級粗糙度偏差可能影響擊穿電壓、漏電流與可靠性。
氮化鎵GaN的研磨拋光挑戰
- 高硬度與脆性:GaN 的莫氏硬度約 9，切削效率低且高脆性使薄型晶圓容易破裂或崩邊，尤其在大尺寸晶圓加工中風險更高。
- 化學穩定性:GaN 對酸性與鹼性溶液均具化學惰性，CMP 單靠化學作用去除效率低，需結合特定氧化還原反應或紫外光促進表面反應。
- 晶體結構與異質外延問題:大部分 GaN 為異質外延生長，界面應力與缺陷密度高，導致研磨時去除率不均，易形成台階或局部凹陷。
- 表面與介面品質要求:高頻、高功率 RF 元件對表面與介面粗糙度要求極高，原子級劃痕或殘留顆粒可能影響元件穩定性與功率表現。
克服碳化矽與氮化鎵硬度挑戰：宏崴精密研磨拋光解決方案
隨著碳化矽與氮化鎵等化合物半導體材料逐漸成為主流，特別是朝向 8 吋晶圓發展，其極高的硬度與脆性對傳統研磨拋光技術帶來了巨大挑戰。這些材料的莫氏硬度高達 9.2~9.6，容易造成晶圓表面與次表面損傷、翹曲，並影響後續元件效能。
宏崴實業針對 SiC 與 GaN 的物理特性，從耗材、製程控制與設備設計三方面著手，提供全方位的研磨拋光解決方案，協助業界突破瓶頸，實現穩定的製程品質與高良率。
研磨階段：從粗磨到精磨的穩定控制
傳統研磨工具在處理 SiC 與 GaN 時，常面臨加工時間長、次表面損傷（SSD）過深、厚度不均等問題。宏崴透過以下高階耗材，有效解決這些挑戰：
- 晶圓專用砂輪：採用高硬度、高耐磨配方，能快速去除材料，同時有效抑制微裂紋生成，將表面與次表面損傷降至最低。
- 宏崴研磨墊：能穩定壓力分佈，確保研磨過程中晶圓不翹曲，精準控制厚度變異（TTV）與翹曲度（WARP），為後續製程打下良好基礎。
- 奈米級鑽石研磨液：專為高硬度材料設計，透過表面結構改質與球形鑽石顆粒，大幅減少研磨刮痕與殘留應力，減輕後續 CMP 製程的負擔。
- CMP修整器：在CMP製程中，修整器利用鑽石或其他高硬度顆粒，對拋光墊進行精密修整，去除殘屑與化學沉積物，恢復表面粗糙度，避免長時間使用造成光滑化（Glazing）影響去除效率。
CMP 拋光：實現超平坦無損表面
SiC 與 GaN 元件的效能高度仰賴晶圓的表面平坦度與缺陷控制。宏崴的化學機械拋光（CMP）解決方案，專為化合物半導體鏡面級拋光而設計：
- 五層結構CMP拋光墊：創新五層結構設計，具備優異的剛性與壓力調節能力，有效控制材料去除率，確保表面均勻性。其微孔與溝槽紋理設計能提升研磨液流動性，降低刮傷風險。
- CMP修整器：利用鑽石等高硬度顆粒精密修整拋光墊，去除製程中產生的殘屑，防止「鏡面化」（Glazing）現象，確保拋光墊能持續維持穩定的切削力與去除效率。
拋光液：精準化學蝕刻與材料選擇性
在 SiC 與 GaN 的 CMP 製程中，化學蝕刻與材料選擇性是決定最終表面品質的關鍵。宏崴提供專屬配方，確保高效能與低缺陷率：
- 專用鑽石拋光液：專為化合物半導體拋光設計，導入表面微結構優化與球形鑽石顆粒，能有效降低加工刮痕與次表面損傷，達成無損拋光，進而提升功率元件的散熱與可靠性。
總結來說，宏崴精密透過整合鑽石研磨液、專用砂輪與 CMP 拋光墊等關鍵耗材，提供專為 SiC 與 GaN 設計的高效能、低缺陷率製程解決方案，加速這些先進材料在功率元件、RF 通訊與先進封裝等領域的量產與應用。
碳化矽與氮化鎵的廣闊前景與拋光技術的持續創新
隨著高功率、高頻率元件需求的增長，SiC 與 GaN 的應用前景日益廣闊。SiC 憑藉高效率與低能耗特性，在電動車充電基礎設施與車載電力系統中成為核心元件；GaN 則以高頻特性與低功率損耗，廣泛應用於下一代 5G 射頻模組與射頻功率放大器。此外，兩者在航太、衛星通信及高能雷達等尖端領域，也展現出極佳的耐高溫、抗輻射與高功率承受能力。
面對應用需求的快速擴展，研磨拋光技術亦需持續突破。未來挑戰包括大尺寸 SiC 晶圓的均勻加工、GaN 異質外延晶片的精細缺陷控制，以及奈米級低損傷拋光處理的實現。同時，結合智慧化製程與自動化控制，將是提升效率、穩定性與良率的關鍵。宏崴將持續投入研發，整合專屬耗材與智慧化製程，推動 SiC 與 GaN 拋光技術創新，助力高效能半導體元件量產化。
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