全球化合物半導體設備市場及產業發展趨勢

摘要：半導體設備領域的製程技術相當複雜，長期以來由美國、日本和歐洲的廠商所壟斷。尤其在COVID-19、俄烏戰爭與全球通膨的影響之下，近年在各關鍵領域皆有國內外企業及廠商尋求突破，也因此逐漸地填補設備自主開發的缺口。以晶體生長和加工設備為例，其產品使用技術涵蓋材料科學、熱力學、自動控制、機械加工與設計和半導體物理等多種專業領域，需要應用熱流分析、智慧製造、精密傳動等多項技術。
Abstract：The process technology of semiconductor equipment is quite complicated, and has been monopolized by manufacturers in the United States, Japan and Europe for a long time. Especially under the influence of COVID-19, the Russia–Ukraine War, and global inflation, in recent years, domestic and foreign companies and manufacturers have sought breakthroughs in various key fields of that process technology, and thus gradually filled the gap in independent development of the related equipment. Taking crystal growth and processing equipment as an example, its product technology covers various professional fields such as material science, thermodynamics, automatic control, machining and design, and semiconductor physics, and requires the application of multiple technologies such as heat flow analysis, intelligent manufacturing, precision transmission, and so on.

關鍵詞：化合物半導體基板製程、砷化鎵、磷化銦、碳化矽、氮化鎵、長晶、切片、研磨、拋光
Keywords：Compound semiconductor substrate process, Gallium arsenide, Indium phosphide, Silicon carbide, Gallium nitride, Crystal growth, Slicing, Grinding, Polishing

前言
半導體材料的分類
常見的半導體材料包括三大類，為方便區分，產業界根據材料出現的時間先後，分別為單元素半導體材料、III-V族半導體材料及寬能隙半導體材料，而業界也有人簡稱為一、二、三類半導體材料。
1.單元素半導體材料，即以單一元素構成的半導體材料，主要包括矽(Si)、鍺(Ge)，其中矽基半導體材料是目前產量最大、成本最低、應用最廣的半導體材料。
而化合物半導體材料是由兩種或兩種以上元素以確定的原子配比所形成化合物，也就是本文所要討論與介紹的材料範圍，主要包含下列兩種:
2. III-V族半導體材料，即以III-V族元素的化合物所構成的半導體材料，主要包括砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)，具有電子遷移率高、光電性能佳等材料特點，是目前僅次於矽單晶之外最成熟的半導體材料，在 5G 通信、資料中心、光纖通信、新一代顯示器、人工智慧、無人駕駛、可穿戴設備等方面有廣泛的應用前景[1]。
有意去除蘋果手機螢幕上的瀏海並在 OLED 顯示器直下式3D感測模組的OEM廠商正在考慮轉向以InP製作的邊緣發射雷射(EEL)，以取代當前的GaAs垂直腔面雷射(VCSEL)。然而，從成本和供應鏈的角度來看，這樣的舉措並不簡單。Yole [2]提到InP在2021年首次滲透到可穿戴無線耳機當中。蘋果公司是第一家將InP部署到其AirPods 3系列以幫助區分皮膚和其他表面的OEM廠商。這項作法已擴展到iPhone 14 pro系列上。蘋果公司已改變了其頂級款iPhone 14 Pro系列外觀，將螢幕頂端瀏海尺寸縮小為藥丸形狀。為實現這種新型前置鏡頭的佈置，必須將一些其他的感測器(例如接近感測器)放置在顯示螢幕下方。
3. 寬能矽半導體材料，以氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)等為代表，具有大能隙寬度、耐高壓和高功率等特點 [3]，但目前材料的生產成本較高，其終端應用在通信、新能源汽車等領域則相當具有發展潛力。受汽車應用的強勁推動，尤其是在電動車主逆變器方面，繼特斯拉採用SiC後，2020年和2021年又有多款新發布的EV。此外，特斯拉創紀錄的出貨量幫助SiC 功率元件在2021年達到10億美元的規模。為了滿足長續航的需求，800V電動車是實現快速直流充電的解決方案。這就是1200V SiC功率元件發揮重要作用的地方。截至 2022年，中國比亞迪的Han-EV和韓國現代汽車的Ioniq-5的銷量也通過提供快速充電等功能因此獲得了不錯的銷售成果。Nio、小鵬汽車等更多OEM廠商計劃在2022年將SiC電動車推向市場。除汽車外，工業和能源應用在Yole的預測期內代表著增長率超過20%的市場。例如，採用SiC模組的大功率充電基礎設施的部署，以及日益增長的太陽能安裝。在這種情況下，Yole預估SiC功率元件市場將從2021年的10億美元規模，增長到2027年的60億美元以上[4]。
化合物半導體基板製程與製造技術
半導體基板製造屬於技術密集型行業，整合材料、熱動力學、半導體物理、化學、機械工程與電腦模擬等跨領域知識的應用範圍。生產設備主要包含了晶體生長爐、切割機、研磨機、拋光機、清洗與檢測設備等如圖1。首先將合成後的高純原料投入長晶設備，出爐後的晶體經過定向、滾圓、切片、圓邊、研磨、拋光、清洗等多道晶圓基板製程後，才能將一片片的晶圓基板進行真空封裝等待出貨。

圖1 化合物半導體基板製程設備