碳化矽裂片技術淺談與其產業應用

摘要：根據IHS(Information Handling Services) Markit的預測，全球功率半導體市場規模將以年增長率4.1%的速度成長。其中，以目前正蓬勃發展的第三代半導體材料碳化矽(Silicon Carbide, SiC)為例，此材料具備高頻、高功率、耐高溫且耐高壓的電器特性，預期未來會更廣泛的應用在電動車、充電樁、太陽能、離岸風電、基地台與5G等[1]。硬度方面，SiC僅次於鑽石與碳化硼，因此在切割、研磨時也較為困難，並且晶圓尺寸越大越棘手，SiC晶錠切割為晶圓的過程即唯一重要的製程技術，如何透過快速、有效率的技術進行晶錠切割，許多公司都投入資源進行相關的技術研發。本文將針對近年來各種主要切割技術進行討論與分析，提供讀者在進入晶錠切割技術領域的參考。
Abstract：According to the forecast of IHS (Information Handling Services) Markit, the global power semiconductor market will grow at an annual growth rate of 4.1%. Among them, SiC (Silicon Carbide) is a semiconductor material with strong dielectric breakdown capability, fast saturated electron drift velocity and high thermal conductivity. When applied to semiconductor components, it can provide high withstand voltage, high-speed switching and low on-resistance [1]. In terms of hardness, SiC is second only to diamond and boron carbide, so it is more difficult to cut and grind, and the larger the wafer size, the more difficult it is. The process of cutting SiC ingots into wafers is an important process technology. How to slice SiC ingot quickly and efficiently is the technology that many companies have invested resources in research and development. This article will discuss and analyze various major SiC ingot slicing technologies in recent years and provide readers with a reference to enter this field.

關鍵詞：碳化矽、超音波應用、第三代半導體
Keywords：SiC, Application of ultrasonic, 3rd generation semiconductor

前言
SiC市場應用發展
半導體的發展約從100年前到現代，大致可區分為三個重要的世代，分別為第一代半導體、第二代半導體與第三代半導體，其中，第一代半導體主要以矽(Si)與鍺(Ge)為主，多數應用於處理器、功率元件、射頻元件與感光元件等；第二代半導體主要以砷化鎵(GaAs)與鏻化銦(InP)為主，以處理電磁波的射頻元件應用為主；直到近期各國主要半導體大廠與研究機構紛紛投入的第三代半導體，主要以碳化矽(SiC)為主，其應用包含高頻、高功率的電力系統、耐高溫與高電壓的電動車系統等，也因其獨有的電器特性，帶動了新世代半導體的發展與新應用，關於半導體發展世代間的材料與電器特性整理如表1所示。
SiC主要由矽(Si)與碳(C)所構成的化合物半導體材料，其結合力強，且在熱量上、化學上與機械性質上都非常安定，SiC存在各種晶型(N型與P型)，且因物性不同有不同的應用場域如表2所示[2]。SiC的能隙為Si的3倍，使其可承受的電壓為Si的10倍，可承受溫度為3倍，因此在高壓、大電流與高溫需求的應用極大；其中，以電動車為例，目前各國的政策時程評估，2030年將會是電動車加速普及的關鍵時點，除特斯拉、蔚來、小鵬等純電動車廠外，傳統車廠如福特、福斯、BMW及豐田、本田都加速推出新型的電動車，如圖1所示，根據統計[3]，2020年全球電動車出貨量約312萬輛，僅達4.5%的滲透率，然而根據BoA與Digitimes的預估，2025年與2030年將分別達23%與40%的滲透率，甚至2040年預估可達67%，10年CAGR(Compound Annual Growth Rate)將超過30%。另外，根據工研院產科國際所的報告顯示[2]，如圖2，SiC在車用上有很大的舞台外，還包括電力轉換的功率應用、再生能源、通訊與國防的應用也會有很大的市場發展潛力。
綜合上述，SiC目前成本仍然很高，雖然SiC價格在近三年以來已下降20-25％，但目前6吋SiC報價仍高達 1,500美元，較同尺寸矽晶圓的20美元高出接近75倍。究其根本，主要因SiC基板和磊晶的製程困難。根據統計，SiC MOSFET成本結構中，基板就佔了50%，其餘則為磊晶25%、元件製造20%、封測5%；且SiC存在200多種晶體結構類型，其中六方結構的4H型(4H-SiC)等少數晶體結構才是所需的半導體材料，因此需要精確控制矽碳比、生長溫度、速率及氣流氣壓等參數，否則就容易產生多晶型夾雜使成品失敗。此外，SiC的硬度僅次於鑽石及碳化硼，因此在切割、研磨時也較為困難，並且晶圓尺寸越大越棘手。以上種種限制，都大幅提高了SiC的進入門檻。

圖1 全球車廠布局電動車現況
(工研院機械所整理，資料來源：富果研究部)

圖2 碳化矽的產業應用與成長預估
(工研院機械所整理，資料來源：工研院產科國際所)