SiC離大規模量產尚需臨門一腳｜半導體行業觀察

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隨著微電子技術的發展，傳統的Si和GaAs半導體材料由於本身結構和特性的原因，在高溫、高頻、光電等方面越來越顯示出其不足和局限性，目前，人們已將注意力轉移到SiC材料，這將是最成熟的寬能帶半導體材料。

身為第三代的半導體材料，SiC具有能帶寬、熱導率高、電子的飽和漂移速度大、臨界擊穿電場高，以及介電常數低、化學穩定性好等特點，成為製作高溫、高頻、大功率、抗輻照、短波長發光及光電整合元件的理想材料，在高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導體元件及紫外探測器等方面，都具有廣泛的應用前景。

SiC優越的半導體特性，未來將可為眾多的元件所採用。SiC擁有高溫結構材料特性，目前已經廣泛應用於航空、航天、汽車、機械、石化等工業領域。利用其高熱導、高絕緣性，目前在電子工業中則是用於大規模整合電路的基板和封裝材料。在冶金工業中則作為高溫熱交換材料和脫氧劑。目前SiC最為人所熟知知的仍然是作為理想的高溫半導體材料。隨著SiC半導體技術的進一步發展，SiC元件的應用領域也越來越廣闊，成為國際上新材料、微電子和光電子領域研究的新熱點。

正因為如此，SiC具有的優良特性、誘人的應用前景，及巨大的市場潛力，也勢必將引來激烈的競爭。可以預料，它既是科學家爭先佔領的高技術領域制高點，又是能帶來巨大商業利益的戰場。

SiC膜層材料具有很大的發展潛力和應用前景，在現代工業的高速發展和技術水準的高度要求下，SiC膜層材料必將以其獨特優勢，在工業領域佔據重要位置。但同時也必須注意，SiC膜層材料在未來的時間若要取得更進一步發展，並開始進行量產的腳步，還需要進行更多的技術研究和應用實現。因此，進一步加強理論研究、降低成本、提高材料質量，並持續進行實踐探索，將是今後的工作重點。

碳化硅的以下問題，都解決了嗎？

目前已在使用的長晶技術則包含高溫化學氣象沉積法（HTCVD），與高溫升華法（HTCVT）兩種。

以台灣磊拓科技所代理的設備為例，旗下代理的PVA TePla品牌的SiCube單晶長晶爐，能夠提供HTCVD和HTCVT這兩種長晶法，其工作溫度皆需2600°C ，而工作壓力則落在5至900 mbar。

雖然有長晶設備，但碳化硅晶圓的生產仍是十分困難，不僅是因為產能仍十分有限，而且品質十分的不穩定。

以目前良率最高的HTCVD法為例，它是以攝氏1500至2500度的高溫下，導入高純度的硅烷（silane；SiH4）、乙烷（ethane）或丙烷（propane），或氫氣（H2）等氣體，在生長腔內進行反應，先在高溫區形成碳化硅前驅物，再經由氣體帶動進入低溫區的籽晶端前沉積形成單晶。

然而，HTCVD技術必須精準的控制各區的溫度、各種氣體的流量、以及生長腔內的壓力，才有辦法得到品質精純的晶體。因此在產量與品質上仍是待突破的瓶頸。

依據目前的硅晶業者的生產情況，一般而言，生產8吋的硅晶棒，需要約2天半的時間來拉晶，6吋的硅晶棒則需要約一天。接著，待晶棒冷卻之後，再進行晶圓的切片和研磨。

至於碳化硅晶圓，光長晶的時間，就約需要7至10天，而且生成的高度可能只有幾吋而已（硅晶棒可達1至2米以上），再加上後續的加工製程也因為硬度的影響而相對困難，因此其產能十分有限，品質也不穩定。

另外，晶圓短缺與設計經驗不足影響碳化硅終端晶元發展。

據了解，目前全球僅約有三、四家業者（Cree、Norstel、新日鐵住金等）能提供穩定的產量。中國雖然已著手自產，但在品質方面尚未能趕上美日，因此全球的產能仍十分有限，目前市場也仍是處於短缺的狀況。這也說明了現今整個碳化硅半導體產業的情況，不僅上游晶圓的價格無法鬆動，連帶終端晶元的價格也難以讓多數業者接受。

另一個發展限制，則是在碳化硅元件的應用與設計上。由於硅晶圓問世已久，而且行之有年，有非常完整的工具與技術支撐，因此絕大多數的晶元工程師只熟悉硅元件的晶元開發，但對於碳化硅元件的性能與用途，其實不怎麼清楚。

工程師對碳化硅元件本身的性能就已經不太清楚，再加上晶圓品質的不穩定，導致元件的良率與可靠度不足，讓整個的產業發展非常緩慢。

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