碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）作为新世代宽能隙半导体（Wide Bandgap Semiconductors, WBGS），正在颠覆传统硅材料的应用格局。它们具备耐高温、高压、高频、低耗损等优势，特别适合电动车、5G/6G通讯、再生能源、快速充电等高效能领域。与硅相比，碳化硅与氮化镓能在更极端的环境下维持稳定运作，同时大幅减少能量损耗，推动全球半导体产业进入新阶段。
目录
碳化硅与氮化镓优势
碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）虽同属化合物半导体，但各自展现出在高效能电子领域不可替代的材料优势。
碳化硅SiC
- 高击穿电压：可承受远高于硅的电压，适合高压功率应用。
- 高热导率：散热效率佳，可在高温环境稳定运作。
- 低导通电阻：降低能量损耗，提升系统效率。
氮化鎵GaN
- 高电子迁移率：开关速度快，适合高频应用。
- 高频特性：支援 GHz 级运作，缩小元件体积并提升转换效率。
- 低散热需求：减少散热系统体积与成本。
两者不仅突破了传统硅基材料在功率与频率上的限制，更为高效能、低能耗的先进电子系统奠定了核心基础。
氮化镓制程关键：HVPE与氨热法
氮化镓的基板生长技术决定了其性能与成本：
氢化物气相外延法（HVPE）
- 利用氢气作为载气，将氯化氢（HCl）与镓（Ga）反应生成氯化镓（GaCl），再与氨（NH₃）反应生成 GaN 晶体。
- 制程温度约 1000°C，可快速生长大量 GaN。
- 缺点：容易产生裂缝与晶格缺陷，晶体品质较差。
氨热法（Ammonothermal）
- 利用超临界氨作为溶剂，在高压高温下同时具备液体的溶解能力与气体的扩散性。
- 透过氨溶解镓并沉积生成 GaN 晶体。
- 优点：温度较低、能耗低、缺陷密度小，适合高品质应用。
- 缺点：生长速度慢，制程较复杂。
碳化硅制程关键：升华法与磊晶技术
碳化硅（SiC）的制程不仅耗时且难度高，从基板生长到功率元件制作，每一步都充满挑战。
基板制作：物理气相传输法-升华法PVT
这是目前 碳化硅基板 生产的主流技术，其制程关键与挑战如下：
- 制程原理：将 SiC 粉体在高温（约 2,200℃）低压的密闭环境中升华，使其蒸气与 SiC 晶种接触后凝结、附着，借此生长出 SiC 晶体。
- 高难度与长时程：相较于硅（Si）晶棒只需数天即可长出数公尺，SiC 晶棒需要 2~3 周才能长出不到 10 公分，且制程中无法即时监测长晶品质，需等到最后才能确认。
- 后续加工：晶体生长完成后，还需经过切割、研磨与抛光等多道工序，才能制成表面光滑、符合规格的基板。
磊晶阶段：基板上的新结晶
在基板制作完成后，必须进行 磊晶（Epitaxy） 步骤，在 SiC 基板上生长一层新的结晶，以形成功率元件的结构。
- 技术同步：台湾在磊晶的基本制程技术方面，已与国际水平同步。
- 元件设计与新制程：然而，SiC 功率元件的设计与制程技术是相互关联的。若有新的元件设计，往往需要开发新的制程技术来配合，这方面台湾仍需更多时间来累积经验。
碳化硅与氮化镓研磨抛光的「硬核」挑战
在高效能功率元件与高频元件的制程中，SiC 与 GaN 虽然具有卓越的材料特性，但其超高硬度、脆性及化学惰性，让研磨与抛光成为整个制程的技术瓶颈。为了更清楚呈现各材料在后段制程中面临的挑战，以下将 SiC 与 GaN 分别列出其在研磨抛光过程中可能遇到的四大难题:
碳化硅SiC的研磨抛光挑战
- 极高硬度与脆性:SiC 的莫氏硬度达 9.2，接近金刚石等级，加上高脆性，研磨效率低且加工时稍有不慎就可能产生微裂纹或晶圆崩角，降低晶圆完整率。
- 化学惰性:SiC 表面化学稳定性极强，传统 CMP抛光液液难以作用，需引入高活性氧化剂或金属催化颗粒，才能形成可去除的氧化层。
- 晶体结构与缺陷:多型结构如 6H-SiC、4H-SiC 具各向异性，研磨速率差异大，微管（Micropipes）与堆叠层错等缺陷容易在加工中被放大，降低后续制程良率。
- 表面完整性要求:功率元件对表面平整度及缺陷密度极度敏感，原子级粗糙度偏差可能影响击穿电压、漏电流与可靠性。
氮化镓GaN的研磨抛光挑战
- 高硬度与脆性:GaN 的莫氏硬度约 9，切削效率低且高脆性使薄型晶圆容易破裂或崩边，尤其在大尺寸晶圆加工中风险更高。
- 化学稳定性:GaN 对酸性与碱性溶液均具化学惰性，CMP 单靠化学作用去除效率低，需结合特定氧化还原反应或紫外光促进表面反应。
- 晶体结构与异质外延问题:大部分 GaN 为异质外延生长，界面应力与缺陷密度高，导致研磨时去除率不均，易形成台阶或局部凹陷。
- 表面与介面品质要求:高频、高功率 RF 元件对表面与介面粗糙度要求极高，原子级划痕或残留颗粒可能影响元件稳定性与功率表现。
克服碳化硅与氮化镓硬度挑战：宏崴精密研磨抛光解决方案
随着碳化硅与氮化镓等化合物半导体材料逐渐成为主流，特别是朝向 8 吋晶圆发展，其极高的硬度与脆性对传统研磨抛光技术带来了巨大挑战。这些材料的莫氏硬度高达 9.2~9.6，容易造成晶圆表面与次表面损伤、翘曲，并影响后续元件效能。
宏崴实业针对 SiC 与 GaN 的物理特性，从耗材、制程控制与设备设计三方面着手，提供全方位的研磨抛光解决方案，协助业界突破瓶颈，实现稳定的制程品质与高良率。
研磨阶段：从粗磨到精磨的稳定控制
传统研磨工具在处理 SiC 与 GaN 时，常面临加工时间长、次表面损伤（SSD）过深、厚度不均等问题。宏崴透过以下高阶耗材，有效解决这些挑战：
- 晶圆专用砂轮：采用高硬度、高耐磨配方，能快速去除材料，同时有效抑制微裂纹生成，将表面与次表面损伤降至最低。
- 宏崴研磨垫：能稳定压力分布，确保研磨过程中晶圆不翘曲，精准控制厚度变异（TTV）与翘曲度（WARP），为后续制程打下良好基础。
- 奈米级金刚石研磨液：专为高硬度材料设计，透过表面结构改质与球形金刚石颗粒，大幅减少研磨刮痕与残留应力，减轻后续 CMP 制程的负担。
- CMP修整器：在CMP制程中，修整器利用金刚石或其他高硬度颗粒，对抛光垫进行精密修整，去除残屑与化学沉积物，恢复表面粗糙度，避免长时间使用造成光滑化（Glazing）影响去除效率。
CMP 抛光：实现超平坦无损表面
SiC 与 GaN 元件的效能高度仰赖晶圆的表面平坦度与缺陷控制。宏崴的化学机械抛光（CMP）解决方案，专为化合物半导体镜面级抛光而设计：
- 五层结构CMP抛光垫：创新五层结构设计，具备优异的刚性与压力调节能力，有效控制材料去除率，确保表面均匀性。其微孔与沟槽纹理设计能提升研磨液流动性，降低刮伤风险。
- CMP修整器：利用金刚石等高硬度颗粒精密修整抛光垫，去除制程中产生的残屑，防止「镜面化」（Glazing）现象，确保抛光垫能持续维持稳定的切削力与去除效率。
抛光液：精准化学蚀刻与材料选择性
在 SiC 与 GaN 的 CMP 制程中，化学蚀刻与材料选择性是决定最终表面品质的关键。宏崴提供专属配方，确保高效能与低缺陷率：
- 专用金刚石抛光液：专为化合物半导体抛光设计，导入表面微结构优化与球形金刚石颗粒，能有效降低加工刮痕与次表面损伤，达成无损抛光，进而提升功率元件的散热与可靠性。
总结来说，宏崴精密透过整合金刚石研磨液、专用砂轮与 CMP 抛光垫等关键耗材，提供专为 SiC 与 GaN 设计的高效能、低缺陷率制程解决方案，加速这些先进材料在功率元件、RF 通讯与先进封装等领域的量产与应用。
碳化硅与氮化镓的广阔前景与抛光技术的持续创新
随着高功率、高频率元件需求的增长，SiC 与 GaN 的应用前景日益广阔。 SiC 凭借高效率与低能耗特性，在电动车充电基础设施与车载电力系统中成为核心元件；GaN 则以高频特性与低功率损耗，广泛应用于下一代 5G 射频模组与射频功率放大器。此外，两者在航太、卫星通信及高能雷达等尖端领域，也展现出极佳的耐高温、抗辐射与高功率承受能力。
面对应用需求的快速扩展，研磨抛光技术亦需持续突破。未来挑战包括大尺寸 SiC 晶圆的均匀加工、GaN 异质外延晶片的精细缺陷控制，以及奈米级低损伤抛光处理的实现。同时，结合智慧化制程与自动化控制，将是提升效率、稳定性与良率的关键。宏崴将持续投入研发，整合专属耗材与智慧化制程，推动 SiC 与 GaN 抛光技术创新，助力高效能半导体元件量产化。
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