相較於矽（Si），採用碳化矽（SiC）基材的元件性能優勢十分的顯著，尤其是在高耐壓與耐高溫的性能上，然而，這些優勢卻始終未能轉換成市場規模，讓這個問世已十多年的高性能元件一直束之高閣。主要的原因就出在碳化矽晶圓的製造和產能的不順暢。

由於物理的特性，碳化矽材料擁有很高的硬度，目前僅次於金剛石，因此在生產上勢必要在高溫與高壓的條件下才能生產，一般而言，需要在2000°C以上高溫（矽晶僅需在1500°C），以及350MPa以上才能達成。若透過添加一些特殊的助燒劑，或者氣體沉積的方式，則可使碳化矽燒成溫度降到2000°C左右，且在常壓就能進行。

高溫、速度慢 碳化矽長晶製程難度十足

而目前已在使用的長晶技術則包含高溫化學氣象沉積法（HTCVD），與高溫昇華法（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，但碳化矽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。

圖1 : 碳化矽與矽晶的生產條件比較。（製圖/CTIMES）

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，導入高純度的矽烷（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矽前驅物，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。

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

圖2 : 碳化矽晶圓的側面圖，在成本考量下，可見其切割的厚度極薄。

至於碳化矽晶圓，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（矽晶棒可達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。

「由於碳化矽的生產瓶頸尚未解決，原料晶柱的品質不穩定，造成整體市場無法大規模普及。」瀚天天成電子科技銷售副總裁司馬良亮，一語點出目前的市場困境。

瀚天天成電子科技（廈門）有限公司是中國一家具備碳化矽晶圓研發、生產與銷售外延晶片的中美合資企業。該公司於2011年3月在廈門成立，並已建置完整的現代化生產廠房，包含碳化矽晶圓長晶爐和各種進高階檢測設備，該公司也於 2012年3月開始接受商業化碳化矽半導體晶圓訂單，為中國第一家提供產業化3吋至6吋碳化矽半導體晶圓的製造商。

司馬良亮表示，相較於矽晶，碳化矽的功能性更好，在導熱、延展性和導電性方面都有很好的表現，投入的業者也很多。但幾年過去，市場規模依舊十分有限，並沒有出現大的進展，主要的原因就在於原料晶柱的品質不穩定，造成沒有足夠的晶圓來供應市場。

「只要長晶過程中的溫度和壓力有一些失誤，那好幾天的心血可能就都會為烏有。」司馬良亮說。

晶圓短缺與設計經驗不足 影響碳化矽終端晶片發展

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。

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。但隨著矽晶的供需趨穩，碳化矽又再回到先前的局面。

他解釋，碳化矽晶圓的生產具有一定的技術難度，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矽半導體產業的情況，不僅上游晶圓的價格無法鬆動，連帶終端晶片的價格也難以讓多數業者接受。

圖3 : 瀚天天成電子科技銷售副總裁司馬良亮（左）與代理商台灣磊拓科技總經理蔡國基（右）。

另一個發展限制，則是在碳化矽元件的應用與設計上。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。

他甚至用，「博士」和「小學生」，來對比目前矽晶與碳化矽之間的知識落差。也因為有這樣的知識上的落差，造成碳化矽元件在發展上更加緩慢。

「工程師對碳化矽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。」司馬良亮說道。

雖然碳化矽的發展仍十分緩慢，但其優異的性能優勢，依然是吸引了部分的業者持續深耕，中國便是其中最主要的投入者，甚至將之列為重點國家政策之一。

看好未來需求 中國定調碳化矽為國家重點產業

目前中國已組成中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟（中寬聯），並接受中國工信部的委託，積極推行《寬禁帶功率半導體標準》，其中《功率器件用碳化矽同質晶圓》標準是便是中寬聯主推的9項標準之一。

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。

拓墣產業研究院也指出，相較目前主流的矽晶圓，第三代半導體材料SiC及GaN除了耐高電壓的特色外，也分別具備耐高溫與適合在高頻操作下的優勢，不僅可大幅減少晶片面積，並能簡化周邊電路設計，達到減少模組、系統周邊的元件及冷卻系統的體積。

不過，SiC材料仍在驗證與導入階段，在現階段車用領域僅應用於賽車上。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。

該機構指出，隨著應用需求的逐步成長，供應鏈已漸漸發展出晶圓代工模式，以提供客戶SiC及GaN的代工業務服務，改變過去僅由Cree、Infineon、Qorvo等整合元件大廠供應的狀況。

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。因此碳化矽晶粒想要邁向量產，就必須先解決切割技術的問題。

2023年 碳化矽元件的應用與品質才能成熟

司馬良亮也呼應這個說法，他認為，碳化矽是在1200V以上的高壓有十分顯著的優勢，非常適合運用在電動車這類的應用上；GaN則是落在600V至1000V區間的應用上。

但對於碳化矽市場的發展時程，他則是持相對保守的意見。他指出，目前碳化矽在台灣的發展仍是比較慢，投入與採用的業者都不多，因此仍待時間觀察。至於晶圓材料產能的問題，他則認為還需要三年才能改善基板短缺情況，而生產的質量則仍需五年才能改善。而在終端的應用上，則需到2022年左右才會有更多的應用出現。

**刊頭圖為6吋碳化矽晶圓