為進一步擴增碳化矽（SiC）產能，電源功率半導體大廠英飛凌宣布，將大幅擴建馬來西亞居林（Kulim）晶圓廠，繼之前於2022年2月宣布的投資計劃之外，將打造全球最大的8吋碳化矽功率晶圓廠。 CMP設備與晶圓生產中的拋光設備有相似之處（見上圖），但積體電路矽片中很多材料的加入以及金屬層的增加使得CMP設備不能如同拋光設備那樣簡單，而需要加入特別的過程獲得平坦化的效果。 這主要體現在對拋光厚度、拋光速率的檢測上，被稱作終點檢測，通常有電機電流終點檢測、光學終點檢測。 摩爾投顧分析師林漢偉表示，第三類半導體在台股比較純的概念股很少，像是嘉晶、漢磊是有自己的晶圓廠，貢獻營收比重較高，而其他相關概念股的營收占比就不是相當的高，但今年整個市場對於電動車，或是所謂的快充需求，其實都有助於帶動第三類半導體的產，目前來看整體產能都會陸續開出來，貢獻營收比重就會有所拉升。 車用占比部分，嘉晶目前占比約 30%，客戶比重朝車用方向持續成長，漢磊目前占比約 10%，今年以來除了第三類半導體，第一類半導體的部分也從消費性漸漸轉往車用，顯示電動車產業仍為驅動整個第三類半導體廠商成長的主要動能。 2014年美國總統歐巴馬親自主導成立了以碳化矽為代表的第三代寬禁帶半導體產業聯盟。
漢磊在第三季法說會上表示，下半年只要通過客戶驗證，對於明年出貨量、營收的貢獻，有望較今年成長。 磊晶方面，嘉晶布局第三代半導體研發超過10年，擁有磊晶相關專利技術，並具有量產4吋、6吋碳化矽磊晶及6吋氮化鎵磊晶的能力，而環球晶已與客戶陸續簽訂長約， 看好碳化矽需求較預期強勁，基板已小量出貨，明年上半年將進一步擴展至磊晶。 儲祥生指出，台廠挾帶著半導體產業鏈優勢，供應鏈主要分為3大塊，包括發展長晶投入SiC基板的環球晶、盛新材料、穩晟材料，延伸的相關概念股有環球晶及其母公司中美晶，還有盛新材料的大股東太極-KY。
碳化矽晶圓: 難題3〉難以打進下游 產品已開發，但無人採用
另一方面，英飛淩攜手台達電子（Delta）在電動汽車領域展開合作，雙方簽訂一份長期合作備忘錄，為飛速成長的電動汽車市場提供更高功率密度與能源效率的解決方案，主要聚焦於牽引逆變器、直流轉換器以及車載充電器等電動汽車動力系統。 雙方也將為電動汽車應用設立聯合創新實驗室，預計將在2023年下半年成立於桃園平鎮[2]。 最後，則是作風較為低調的LED大廠富采集團，據一位了解富采內部的業者透露，富采除了封裝仍需要外包外，其他部分幾乎在集團內都有布局。 富采與砷化鎵代工廠環宇合資成立的氮化鎵代工廠晶成半導體，目前已可提供客戶，從磊晶到代工的前段一條龍製程解決方案，在設計端，內部也有漢威光電、嘉和半導體分頭進行開發。 目前全球生產碳化矽晶圓的廠商，包括 CREE、羅姆半導體旗下 SiCrystal、II-IV、Norstel、新日鐵住金及道康寧 (Dow Corning)，其中，CREE 市占率高達 6 成之多，幾乎獨霸市場，且 CREE 今年 5 月更宣布，看好 5G 與電動車後市需求，將在未來 5 年內，斥資 10 億美元擴產。
氮化鎵射頻元件的主要應用市場在國防與5G基礎建設，因為5G需要多個天線提高信號品質，而每個天線都需專用的射頻前端晶片組，因此具有外型縮減，提高使用寬容性優勢的氮化鎵，即可在相同功率水準下使用數量較少的天線，並有望取代橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）。 根據市場調研機構Yole Développement的資料顯示，碳化矽功率元件在2019年的全球市場規模約5億4,700萬美元，預估到2025年全球市場規模可達25億6,200萬美元，年複合成長率高達30%，最大的應用在電動車逆變器、轉換器、充電樁，以及太陽能與能源儲存終端應用。 台灣廠商也加速布局碳化矽產品，例如台亞半導體子公司積亞半導體，將斥資新台幣45億元在竹科導入先進設備與智慧化生產系統，投入碳化矽半導體功率元件生產。 太極上 (2) 月與中科院簽署碳化矽專利授權合作開發合約，將著墨在碳化矽長晶與基板，初期切入高壓功率元件應用市場，最快第 4 季可量產基板。 目前碳化矽晶圓市場由 CREE 獨霸，市占率高達 6 成之多，國內矽晶圓大廠、也是全球第三大矽晶圓供應商環球晶 (6488-TW)，也積極跨入碳化矽晶圓領域，已有產品小量出貨，去年 8 月更宣布與 GTAT 簽訂碳化矽晶球長約，確保取得長期穩定、且符合市場需求的碳化矽晶球供應，以加速碳化矽晶圓產品發展。
碳化矽晶圓: 相關新聞
2012 年，日本國家資訊通信技術研究所（National Institute of Information and Communications Technology）的研究員東垣正孝（Masataka Higashiwaki）宣布了一種很有前景的電晶體。 東垣正孝說，由氧化鎵製成的組件比由矽、碳化矽和氮化鎵製成的零件「損耗更低，進而獲得更高的效率」。 近年來，碳化矽成為半導體產業生力軍，主要應用於電動汽車、軌道交通以及風能和太陽能發電設備。 對此，意法半導體與三安光電雙方擬在中國重慶共同建立一個新的 8 英寸碳化矽半導體晶圓廠，以支援中國能源市場。 同時，三安光電也將在當地「獨資」建造一個 8 英寸碳化矽襯底工廠作為配套。 日前，鴻海以 25.2 億買下旺宏 6 吋晶圓廠，布局 SiC 晶圓製造，便是搭上這股順風車，不過，鴻海欲藉以跨入電動車應用領域，關於 SiC 應用於電動車的部分，文後會有進一步探討。
雖然目前氮化鎵射頻元件甚少採用GaN on Si磊晶片，但其具備較大頻寬和小尺寸正吸引廠商投入，2021年Global Foundries和Raytheon建立合作夥伴關係，該機構預估該市場將從2020年低於500萬美元成長到2026年的1.73億美元，年複合成長率高達86％。 另外一很紅的第三類半導體材料氮化鎵，目前主要製作光電、功率與射頻等元件，應用於電源控制、無線通訊、光感測、太陽能、光通訊等多種領域。 光電元件主要有發光二極體（LED）、雷射二極體（LD）、光偵檢器（PD），現今最重要應用是採用VCSEL的光達（LIDAR），可透過光來測量距離以提供外界環境訊息，是自駕車必備的感測模組。 功率元件使用GaN on Si磊晶片，能顯著降低充電器尺寸與功耗，目前正迅速滲透快速充電市場，根據市場研究機構報告指出，2021年全球氮化鎵功率元件市場規模為1.3億美元，預估2027年成長至20億美元，年複合成長率59％，占比最大是消費用快充頭市場。 摘要：碳化矽雖具有優異材料物理特性，目前為繼矽晶圓材料之後，被注目看好之替代材料。 但其材料堅硬（達莫氏硬度9.25~9.5）加工耗時成為產能上之瓶頸，導致成本居高不下。
碳化矽晶圓: 製程描述
至於朋程則投入SiC MOSFET功率元件設計，今（2022）年下半年可望延伸產品線到電動車應用。 未來擬將化合物半導體產品集中在竹科廠生產，產量大幅擴增後有機會占總營收5％。 劉烱德指出，台廠在第三類半導體目前是晶圓代工的製造強，但是上游基板及 IC 設計的兩端弱，而製造晶圓的成本，基板占 50%、磊晶占 25%、元件晶圓占 20%，主要廠商都在國外，台廠又缺全方位 IC 設計人才，像是第三類半導體晶片 IC 設計需要結合數學、物理、電磁波、電子、電機、機械多面向專業。 第三代半導體產業鏈包括基板→磊晶→設計→製造→封裝，在基板也就是矽晶圓前段中中美國科銳(CREE)占市場比重45%、第二則是日本ROHM占20%，台灣部份則有嘉晶、環球晶、轉投資盛新材料的太極以及和矽力子公司矽力杰合資持有穩晟材料的中砂，其中穩晟材料產能規模和盛新相差不遠，14倍本益比相對目前仍虧損的太極要來的穩定。 第三類半導體包括碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN），整體產值又以SiC占80%為重。 SiC適合高壓、大電流的應用場景，能進一步提升電動車與再生能源設備系統效率。
2021年收購德國矽晶圓大廠Siltronic未果，公司亦考慮進行多項現有廠區及新廠擴產計畫：含12吋晶圓與8吋FZ、GaN on Si等大尺寸次世代產品；擴產計畫涵蓋全球三大洲，分別為亞洲、歐洲和美國地區，預估新產線產品將從2023下半年開始出貨。 (五) 碳化矽晶圓2023 嘉晶電子 嘉晶提供100~200mm的磊晶矽晶圓產品，由基板到磊晶層的規格皆可依據客戶的元件特性進行設計與生產，並依據不同的特性與需求，設計適合的生產方式與相關製程條件。 而今大家提及之磊晶矽晶圓片(Epitaxial Wafer)，主要是指在一拋光晶圓片，亦稱為基板(Substrate)，所長出的一層單結晶薄膜，而這層薄膜會在某個平面上進行規則排列的成長行為稱之。
碳化矽晶圓: 晶圓製造-世界先進
此外，功率元件供應鏈如強茂、漢磊、世界先進，以及從LED、太陽能領域跨足的富采、太極、穩晟等，也摩拳擦掌投入第3代半導體。 碳化矽材料也同樣具備低導通電阻、高切換頻率、耐高溫與耐高壓等優勢，可應用於 1200 伏特以上的高壓環境，相較於氮化鎵，碳化矽具備更高效率，應用層面廣泛，如風電、鐵路等大型交通工具、太陽能逆變器、不斷電系統、智慧電網、電源供應器等高功率應用領域。 半導體材料歷經 3 個發展階段，第一代是矽 (Si)、鍺 (Ge) 等基礎功能材料；第二代開始進入由 2 種以上元素組成的化合物半導體材料，以砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP) 等為代表；第三代則是氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC) 等寬頻化合物半導體材料。 然而，拓墣產研也提及，碳化矽硬度極高，若以傳統Dicing進行切割，生產效率極低，同時晶粒品質不佳；而雷射切割則有粉塵、設備成本極高、光源不穩定等問題。 市調單位同樣也看好碳化矽的未來發展，根據TrendForce旗下拓墣產業研究院的預測，2018年全球SiC基板產值將達1.8億美元，而GaN基板產值僅約300萬美元。 司馬良亮指出，碳化矽晶圓在去年有一個高潮，主要的原因就是矽晶（Si）材料的短缺，因此有部分的業者轉向使用碳化矽。
帶隙能量（bandgap energy）比第一和第二代半導體 (諸如Si、GaAs) 寬，且具有高電場耐壓性能；因此能實現高耐壓化、大電流化、低導通電阻化、高效率化、低功耗化、高速開關等的碳化矽 (SiC) 第三代半導體而備受矚目。 第三代半導體材料主要用於光電子器件、電力電子器件 (即功率半導體) 以及微波 (Microwave) 或射頻 (Radio frequency，RF) 器件。 汽車是碳排放的重要來源，低碳排放的趨勢驅動全球電動汽車產業崛起，帶動電力電子 (即功率半導體) 快速增長。 另一家國內矽晶圓廠合晶 (6182-TW) 也持續關注碳化矽或氮化鎵產品，並評估進行策略合作，未來可能與其他廠商結盟。 韓國唯一的半導體矽晶圓廠 SK Siltron，也呼應韓國政府近來推動的材料技術自主化政策，今年 2 月底收購美國化學大廠杜邦 (DuPont) 碳化矽晶圓 的碳化矽晶圓事業，積極切入次世代半導體晶圓技術。
碳化矽晶圓: 相關
近期獲鴻海入股，配合鴻海發展電動車與半導體的策略規劃，預期雙方會緊密合作。 碳化矽晶圓 步驟先從送樣階段開始，除了可加速認證時程，也可有效強化出海口後勢看好，期望年底前申請興櫃。 在磊晶部分有使用MOCVD技術的全新與聯亞，以及採用MBE技術的英特磊；而代工業務則有為Skyworks、Qorvo等國際大廠代工生產的穩懋、宏捷科。 目前市售電動車操作電壓則在300～400V，然而隨著消費者對汽車性能要求增加，更高電壓是必然發展趨勢，因此未來碳化矽可能扮演不可或缺之角色。 在疫情顛覆全球貿易之前，碳化矽和氮化鎵的產量迅速增長，對這兩種材料感興趣的公司與生產商簽訂了供應協定，進展順利。
台勝科更於2021年底宣布，將於雲林麥寮台塑工業園區內投資新臺幣282.6億元，擴建新的12吋矽晶圓廠。 (三) 環球晶圓 環球晶圓目前為全國第三大矽晶圓供應商，公司產品多樣化，有：Polished Wafer、Annealed Wafer、Epitaxial 碳化矽晶圓2023 Wafer、SOI Wafer、化合物半導體材料。 環球晶圓更為擴大產品線及產品定位、提高於全球布局能量、增加採購便利性、加速技術研發與達到更高的規模經濟效益，於2008~2016年，一共併購了四家公司，分別是：2008年收購Globitech、2012年收購Covalent Materials、2016年收購Topsil與SunEdison Semiconductors。
碳化矽晶圓: 應用
化合物半導體市場大幅成長，SiC 更被視為電動車、綠能等領域的關鍵要角，IDM 大廠等業者積極卡位並擴大產能，競相從主流 6 吋進入 8 吋市場，不過，國內指標廠漢磊認為，現階段 8 吋仍不符合成本效益，至少 3 碳化矽晶圓 年內很難取代 碳化矽晶圓 6 吋，6 吋仍具備一定競爭力。 由於在高電壓功率元件應用上，矽基元件因導通電阻過大，往往造成電能大量損耗，但矽材料遭遇瓶頸之下，氮化鎵、碳化矽導通電阻遠小於矽基材料，導通損失、切換損失降低，取而代之的是更高的能源轉換效率，挾著高頻、高壓等優勢，氮化鎵、碳化矽崛起成為 5G 時代的半導體材料明日之星。 而看好5G商轉與汽車電子的進一步成長，拓墣產業研究院預期，SiC基板未來五年在通過車廠驗證，以及2020年5G商轉的帶動下，將進入高速成長期。 司馬良亮表示，由於矽晶圓問世已久，而且行之有年，有非常完整的工具與技術支撐，因此絕大多數的晶片工程師只熟悉矽元件的晶片開發，但對於碳化矽元件的性能與用途，其實不怎麼清楚。 然而，最近這五年，碳化矽又開始受到重視，主要就是在電動車這類需要高功率元件的應用陸續浮出檯面，讓人們意識到碳化矽元件在耐高壓方面的優勢。
而在 IDM 廠方面，除英飛凌 (Infineon)、羅姆 (ROHM) 等 IDM 大廠積極布局外，安森美半導體 (ON Semiconductor) 也在本月與 GTAT 簽訂 5 年碳化矽材料供給協議。 「鑽石是終極的超寬頻隙材料，」特洛阿德克說，雖然要想把這種異常珍貴的寶石變成異常珍貴的半導體，還需要相當長的時間。 以目前時間點看，SiC 的產能將在 2024~2025 年明顯開出，假設以目前產能的 10 倍計算，到 2025 年約會有 250 萬片約當 6 吋的 SiC 產能，換算約可供應 1,500 萬部電動車，對應電動車滲透率為 19%，低於研調機構預估的 23%，因此預估即使產能開出，屆時 SiC 仍然會面臨供需吃緊的情況。
碳化矽晶圓: 碳化矽已在試產 漢磊、嘉晶明年出貨看俏
我們想要更進一步的提高化學機械拋光的移除率，而在TiO2中分別添加50nm及500nm的奈米鑽石後進行實驗，發現材料移除率會隨著鑽石粒度增加，相較於傳統化學機械拋光，材料移除率則能提升4到5倍。 碳化矽雖具有優異材料特性，但由於碳化矽為莫氏硬度9.25~9.5 (僅次於鑽石)之超硬材料，因此在加工上，也遭遇了加工時間長、產能低等瓶頸。 目前碳化矽晶圓切割後，可採用研磨(lapping)或輪磨(grinding)方式進行加工；文獻中指出在研磨測試中，雖表面粗糙度和表面下裂紋深度隨著粒度的減小而減小，但材料的去除以脆性去除(brittle removal)為主，並且隨著粒度的減小沒有明顯的變化。 隨著 5G、電動車等新應用興起，第三代化合物半導體材料逐漸成為市場焦點，看好碳化矽 (SiC) 等功率半導體元件，在相關市場的優勢與成長性，許多 IDM、矽晶圓與晶圓代工廠，均爭相擴大佈局；即便近來市場遭遇新冠肺炎等不確定因素襲擊，業者仍積極投入，盼能搶在爆發性商機來臨前，先站穩腳步。 碳化矽晶圓 根據市場研究機構預估，碳化矽元件的市場至2027年將成長至63億美元，年複合成長率34％，其中占比最大是電動車，約占80％。 碳化矽元件可耐600V以上電壓，是功率元件理想材料，廣泛應用於車用電子、電力設備等領域。
嘉晶已推出100V～600V的6吋矽基GaN磊晶矽晶圓，這是擁有自有專利的磊晶技術，而且具有低阻值磊晶增加電流密度特性。 預期漢磊6吋SiC產線持續擴大產能中，今年目標產能提升3倍至3,000片，另外，GaN產能則將擴增至每月2,000片。 電力電子領域正在發生變化，因為工程師們不再使用矽晶片，而是使用碳化矽等新型材料，這種材料可以更快、更有效地處理電力。 （Lyndon French/The New York Times）電子產品在現代生活中還扮演著一個角色，那就是引導電子產品的電力。 電力電子（power electronics）領域正在迅速地發生變化，因為工程師們不再使用矽晶片，而是使用碳化矽等新型材料，這種材料可以更快、更有效地處理電力。 一些新穎的後矽設備（post-silicon 碳化矽晶圓 devices）已經投入使用，隨著我們的經濟從化石燃料轉向電力，更好的電力電子產品在未來將變得更加重要。
