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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。
第3類半導體由於造價昂貴及耐高壓、高頻等特性，主要用於國防、航太等領域，直到近年才因為技術進展、成本下降，應用到工業、汽車與消費性電子產業。這個極度精密、複雜的產業，究竟有哪些生產流程，本文帶你一次了解！

基板：在黑盒子中製造長晶，難度最高

要生產出碳化矽（SiC）單晶（monocrystal或single crystal）基板（Substrate），須從長晶（生長碳化矽單晶）做起，作法是將碳化矽粉體倒入長晶爐，在高溫且密閉的空間使其昇華，讓晶源粉末的蒸汽冷凝後，附著在碳化矽晶種上。

碳化矽的長晶完全是在「黑盒子中」製造，因為生產製造的過程中需要維持在高溫（大於2100℃）環境下運作，且須保持低壓、長時間穩定的狀態，這也意味著做出來的品質、成果會在最後一刻才揭曉答案。

因為看不到坩堝內碳化矽結晶的狀況，因此要控制得好，讓碳化矽的原子能適當排列並附著在起始的晶種上面，除了晶種本身的品質非常重要之外，熱場設計及坩堝材質等因素，都會影響基板品質的好壞 。

國立陽明交通大學國際半導體產業學院院長張翼指出，基板是一種純材料的技術，需要具備高溫熱力學的專業知識，不是買設備就可以自行製作，沒有一定程度的技術來源，很難做出品質好的基板，尤其是在完全密閉的空間裡進行，設計難度也相對比較高。

此外，與矽相比，碳化矽因材料特性使然，長晶速度與晶錠（或稱晶棒，Ingot）高度差異甚大，碳化矽需要7天時間才能長出2～5公分的晶錠，矽則是3天就能製作出200公分的晶棒，長晶效率相差100～200倍。

長成晶柱的碳化矽晶錠，首先會切割成晶片，經過機械研磨、化學侵蝕，將表面磨得光滑如一面鏡子，最後成為積體電路（IC）基板。

體驗金目前主流的碳化矽基板為6吋（150mm），而意法半導體（ST）率先於2021年8月宣布，在瑞典Norrköping工廠製造出全球首批量產8吋（200mm）碳化矽基板。預期2022年起，基板大廠Wolfspeed（前身為科銳Cree）、貳陸（II-VI）及Qromis也將陸續推出8吋碳化矽量產基板，可望大幅提升全球第3類半導體晶片產能。

磊晶：碳化矽基氮化鎵，被視為未來主流

磊晶（Epitaxy）是指透過在原有的基板上，長出薄薄一層結晶，以達到強化工作效能的目標。通常在磊晶過程中，會經過2個步驟：先在基板表面沉積化學物質，而後才會在基板上形成薄膜，俗稱磊晶。

就難度來講，碳化矽磊晶的挑戰相對較小，因為碳化矽採用的磊晶材料與基板相同，晶格匹配度較高，主要用途是優化晶圓的晶體結構和品質。相較之下，第3類半導體的另一個關鍵材料——氮化鎵（GaN），磊晶技術的好壞就是非常關鍵的要素。

受限於材料本身的特性，氮化鎵基板（目前用於功率元件的基板，還在研發階段）尚未量產，即使做成了氮化鎵基板，成本也高達2000～3000美元，比一般矽基板（僅35～55美元）貴上許多。因此，氮化鎵大多是在矽、碳化矽或藍寶石基板上磊晶，以加速產品上市時間。

出於成本考量，加上與互補式金屬氧化物半導體（CMOS）製程相容，現階段主流的氮化鎵技術是將氮化鎵磊晶長在矽之上的矽基氮化鎵（GaN on Si）方案。台積電即是採用此晶圓代工技術，為第3類半導體元件龍頭納微半導體（Navitas）代工生產氮化鎵功率元件。

長期而言，碳化矽基氮化鎵（GaN on SiC）被視為是未來的主流技術，因為碳化矽基板的導熱性優異，氮化鎵磊晶層的品質較佳，適合高溫、高頻、高功率的產品，如5G基地台、低軌衛星應用。

整體來看，無論是碳化矽或氮化鎵，將來在應用上都會用到碳化矽基板，「得碳化矽基板者得天下」已成為業界共識，國際大廠也陸續透過併購，取得碳化矽基板技術。

張翼分析，台灣過去在LED（發光二極體）產業中，已累積不少氮化鎵磊晶的相關技術和製作磊晶的設備商，這些磊晶設備商會與做磊晶的業者互相交流，因此技術門檻相對不高。國內目前也有環球晶、盛新材料和穩晟投入相關技術，期盼在第3類半導體大戰中，為下一座護國神山打下地基。

IC設計：上游材料、後端製程，都會影響良率

對於IC設計來說，由於高純度的碳化矽材料取得不易，再加上碳化矽基板、磊晶製程困難，對IC設計是很大挑戰，因為「要拿到長得很整齊的基板、磊晶不容易，這也是決定良率很大的因素。」強茂營運長陳佐銘說。

IC設計的好壞，不僅受上游晶圓製作的影響，也與下游晶圓代工的環節息息相關。國立中央大學校長副校長綦振瀛指出，製作第3類半導體晶片，IC設計商一定要與晶圓代工廠密切合作，確保設計出來的產品能夠有相對應的製程，才能做出元件。

陳佐銘補充，IC設計過程中，需要考量材料品質而調整設計，若只是將設計做得很理想，但後端製程做不到設計要求也是徒勞。

綦振瀛強調，第3類半導體的材料與製程還不是很成熟，因此設計的產品與製造出的成品常有特性差異（因材料品質或製程條件的變動而偏離目標值）與穩定度問題，因此要發展相關晶片，IC設計者必須了解材料的元件特性才有利於產品開發。

目前第3類半導體強者大多集中於歐美兩地，源自於地方產業的帶動所致，如汽車、工業，對於功率元件需求龐大，讓第3類半導體有發展舞台。台灣產業則較偏重消費型電子產品，側重邏輯、數位、通訊晶片設計，這也是台灣即使有多家IC設計業在全球前10名，在第3類半導體仍有人才稀缺的問題。

製造、封測：台灣可借重矽製程經驗

相比於第1類半導體「矽製程」的製造與封裝，動輒需要整合30～40層材料，國立陽明交通大學國際半導體產業學院院長張翼認為，第3類半導體僅需10～20層，難度應該屬於中等。

不過，層數少，雖說複雜度較低，卻未必簡單。受限於材料的不同，每一步的層數疊加都有其挑戰。鴻海研究院半導體研究所所長郭浩中指出，第3類半導體製造與封測的技術門檻，來自於材料、製程經驗，以及後端的封裝技術，懂得材料的know-how（知識技能），才有辦法做出來。

此外，也因為材料的不同，許多製程必須透過不同的機器來執行，無法與過去的矽製程設備完全通用，因此，機器生產製造商與晶圓代工的製造商必須共同討論製程研發的需求，以開發適用的機器設備。體驗金現階段，由於台灣的第3類半導體產業尚未規模化發展，市場上並沒有相關的機器設備供應商。

不過，由於台灣在矽的製造、封測製程上，原本就擁有高度的技術含量，長久來看仍可借重矽微影、薄膜、蝕刻等製程生產製造流程的基礎，以解決材料挑戰。

張翼分析，台灣的主要優勢是技術研發的速度快、成本低，如果可以結合過去矽的產業聚落，即使投入的時間、資金落後於歐美國家，未來在量產時不一定會持續落後，甚至有可能反轉局勢。

舉例來說，台灣的封裝產業過去已累積相當多應用於功率元件，以矽為基礎的IGBT（絕緣閘雙極電晶體）封裝測試技術，要將相關技術從矽轉移到第3類半導體相對容易，所以將來量產第3類半導體，台灣仍占有許多優勢。

IDM：第3類半導體的主流運作方式

IDM是指垂直整合製造商（Integrated Device Manufacturer, IDM），意味可以*從晶片設計、生產製造、封裝測試等都一手包辦的公司，這種商業模式也是半導體發展之初的主要運作方式，如早期的英特爾（Intel）。

然而，隨著產業的發展和半導體製程的演進，在設計、技術研發上的成本拉高，生產製造的費用也不停墊高，半導體產業鏈一條龍的運作模式逐漸出現轉變，半導體市場逐漸走向專業分工，例如晶圓、IC設計、製造代工、封測等流程，形成更多半導體產業的切分。

如今，進入第3類半導體領域，由於產業發展處於較初期階段，研發成本不像第1類半導體產業追逐先進製程，動輒斥資千億美元，而且大多數專利還都掌握在少數廠商手中，因此多由IDM公司主導，關鍵業者包括英飛凌（Infineon）、羅姆半導體（ROHM）、安森美（onsemi）、恩智浦（NXP）與Wolfspeed。

責任編輯：吳佩臻、張庭銉

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