目前在提升再生能源装置容量和能源效率，皆有高度关联性的关键技术，莫过於利用化合物半导体来制造高效能功率半导体元件，以承受高电压、高温冲击。台湾厂商还具备过去多年来於矽基半导体产业累积的基础，且有如工研院等法人单位辅导，正积极投入建立材料开发、雷射辅助加工制程等测试验证平台和服务，将加速产业聚落成型。

尤其是伴随着交通运具电动化与提升能源效率等需求，包括：碳化矽（SiC）、氮化??（GaN）、InP、Ga2O3、AIN等化合物半导体，因为比起传统矽基材料（Si-based）具备更宽裕的能隙特性，用来制造高效能功率半导体晶片元件，将可有效减省约50%电能转换损耗、20%电源转换系统成本，所以极适合提供高功率（>400V）、高电能转换效率应用，满足耐高压（>800V）、高温及高频需求。

工研院在2023年举行的「南台湾策略论坛」也指出，如今化合物半导体已逐渐导入电动车及充电桩、再生能源发电与传输，甚至是低轨卫星、5G/6G高频通讯、人工智慧（AI）基础装置、工业设备等低碳生活模式，减省充电时间和电池成本，而极富有战略意义。依工研院南分院预估其中SiC晶圆市场快速成长（CAGR~15%），2028年全球规模将达到17亿美元。

图一 : 如今化合物半导体已逐渐导入电动车及充电桩、再生能源发电与传输，甚至是低轨卫星、5G/6G高频通讯、人工智慧（AI）基础装置、工业设备等低碳生活模式，而极富有战略意义。（source：II-VI-SiC-for-5G）

台湾藉矽基产业筑底 构建化合物半导体代工能量

惟若进一步分析现今高功率半导体元件挑战，便是约有50%成本来自SiC长晶材料和高品质基板，仍由少数国外大厂主导，整体基板产量不足，6寸N型SiC晶圆成为量产主流，也将是台湾半导体产业为来追求上游材料自主化的契机。

然而，基於化合物半导体种类繁多，对於材料自主化与在地设备挑战大，亟待评估量体较大的材料「优化技术」，并建立「设备改造」能力。台湾因为过去在深耕矽基半导体材料和制造使用技术上，具有漫长且成功的历史。包括在上游元件制程与下游次系统都有企业长期耕耘，掌握电路整合、成本控制能力，进而打造完整资通讯、汽车电子产业链，适合发展化合物半导体材料、制程设备，以及IC设计、封测和模组终端应用。

但如今产业仍处於起步阶段，包括上游粉体、长晶及晶球、晶锭、磊晶等原材料，以及元件制造与设计、设备来源皆仰赖进囗，又以欧美日IDM厂商为主。未来则可能与垂直分工模式并存，适合引进国外系统厂商，代工制造将是台湾产业转型，有潜力叁与功率电子产业发展的机会。从元件设计、磊晶制造、封装测试、模组系统等，亟待设立「成品验证场域」；同时培养或招募足够国内外化合物半导体人才，投入研发资源，以建立上位战略智权能量。

图二 : 如果能更方便加工，提高在量产效应下的生产效率，将有助於压低半导体材料及其元件、模组的价格。（source：ii-vi.com）

雷射辅助SiC改质加工 提升效率与品质

此外，因为目前商用碳化矽晶圆片制造流程，系先将长晶所得晶柱切片与整形，再利用线锯切割机切成晶片，经过粗研磨将晶片整平，而提高平整度（Total Thickness Variation；TTV）、并降低粗糙度；透过精密研磨，将表面粗糙度Ra降至3~5nm以下；最後再透过化学机械抛光（Chemical-Mechanical Planarization；CMP），达到成品晶圆片的规格TTV<3μm，Ra<0.3 nm。

但由於SiC材料硬度约为矽基材料的1.8倍，在现已确认的矿物及化合物中位居第三，仅次於钻石和碳化硼，将造成目前为晶锭切片主流的钻石线锯切割技术，在加工制程中磨耗过大且速度缓慢，而成为大面积晶圆制造瓶颈。代表厂商包括：Asahi diamond（日）、DMT（英）、微钻石设备（台）等，切割速度6寸约2.4小时/片>48小时/晶锭。依工研院南分院举例说明，透过线切割厚度约600μm晶圆之後，可能仅得350μm晶圆、切片料损约260μm，包括磨抛及切割耗损材料约占43%。

加上因为SiC基板表面上的任何缺陷，都可复制到外延层，导致SiC晶片的表面平坦化对於高性能元件非常重要。惟其超高机械硬度（莫氏硬度9.3）和化学惰性，使之难以同时达成理想的高材料移除率和良好表面平坦度，後续研磨/抛光不易，利用砂轮进行研磨的使用寿命短。

例如以400号砂轮的耗损率约3μm/min为例，砂轮可供磨耗厚度约8mm，换算推得每颗砂轮仅能研磨44小时即须更换，因此增加研磨成本与时间且量产不易；抛光制程则是速率缓慢，移除率仅有6.9nm/min，等於抛光一片碳化矽晶圆约须8~16小时，成为大面积碳化矽晶圆制造瓶颈。

国际大厂为保有技术与生产的优势，自2019年起宣示投入新建或自6寸改建为8寸晶圆产线，依国际产业研究机构IHS评估，最快在2023年即将出现量产8寸晶圆。但面对SiC晶锭切片设备问题与挑战，如日本大厂DISCO、Infineon（德）、SILTECTRA采取先进雷射切割，切割6寸速度达到10min/片、磨抛切片料损80μm，约占13%。

另因应现今全球碳化矽晶圆材料短缺且昂贵，4寸碳化矽晶圆售价高达600美元以上；研磨抛光设备则由日系大厂DISCO与SPEEDFAM垅断，长远来看，将严重影响台湾产业链发展。如果能更方便加工，提高在量产效应下的生产效率，将有助於压低半导体材料及其元件、模组的价格。

台湾在SiC晶圆制造（切割、研磨及抛光等）方面，虽有制造厂（环球晶、汉磊及太极等）及设备商（创技、世极、凯勒斯）投入，但使用传统机械加工与国外进囗设备并进方式，成本高、速度慢、制程技术仍落後国外。

图三 : 台湾在SiC晶圆制造方面，虽有晶圆制造、设备商投入，但使用传统机械加工与国外进囗设备并进方式，成本高、速度慢、制程技术仍落後国外。（摄影：陈念舜）

南分院也提出制程调整的解决方案之一，便是可透过超快雷射改质软化方法，先将长晶所得晶柱切片与整形，再利用线锯切割成晶片，经研磨提高平整度、降低粗糙度；经过超快雷射诱发多光子分子键解离效应，破坏聚焦处的碳化矽半导体材料键结，分解成矽（Si）、碳（C）与非晶态碳化矽（Amorphous SiC），将呈现柱状周期性微结构软化晶圆表面。

之後将经由抛光过程的机械应力轻易去除，大幅降低SiC硬度90%以上，再导入一般SiC晶圆化学机械抛光制程工序快速移除软化层，去除预定深度的SiC，并达成晶圆/片规格，加速SiC晶圆的制程效率约30%，即可大幅减省抛光研磨制程的时间与耗材、料损。

同时利用其前身为工研院雷射中心优势，具备完善的雷射源与光学系统开发能量，适合开发雷射辅助改质系统，发展软化SiC晶圆技术，用以加快抛光效率；进而导入台湾精密机械、加工业可涉足的雷射辅助切割研磨SiC晶锭应用，从入料、超音波裂片、分离晶锭与晶圆、晶锭研磨，直到雷射改质。

进而在SIC晶锭雷射改质技术策略上，分别布局：

1.雷射源压缩模组「切得好」：如Wolfspeed、DISCO藉由调整雷射源的功率与聚光点位置，在块状晶体内形成损伤，减少晶体材料的切囗损失，专利脉冲宽度调变技术则朝向更短脉冲雷射布局态势。南分院为此开发出超快雷射极短脉冲压缩模组，压缩每发雷射脉冲宽度至140fs（2025年<100fs），以降低雷射作用於SiC的热影响，从而减少料损，验证後可降低切割热效应，减少料损；

2.光路的聚光点扫描加工方式「切得快」：着重於面状、圆形等单点聚焦高斯光斑雷射改质方法，整体产速慢、改质料损大。南分院为此开发水平线性光路模组，将雷射光整型聚焦成均匀水平长形光条，提升改质能量均匀与产速，估计Aspect Ratio达12.72（254.6μmx20μm）、均匀度82.5%（2025年1500μmx10μm）。

同时确保4寸SiC晶锭切割品质验证，研磨後料损仅86μm（表片粗糙度Sz=76μm），优於传统钻石切割料损260μm。2025年切割速度≤18mins/片、研磨损失≤50μm。

再将雷射改质後的晶锭，透过超音波裂片模组施加15~35Hz特定频率，震荡改质後的裂纹进行延伸与扩张；利用调整超音波头与晶锭间距及功率，完成6寸晶锭裂片，切割速度达到28mins/片、材料损失降低至≤80μm将晶锭与晶圆分离，比起钻石线切割速度提升5倍、材料损失减少3倍以上，基板制造成本占比降至40%；最後以真空吸附方式取下晶圆，此高效生产系统预估可减少80%能耗，无化学切削液污染的乾式制程可满足ESG永续发展。

南分院表示，透过导入雷射辅助SiC晶圆快速抛光制程，估计可提升整体制程效率30%及生产效率，进而带动台湾厂商及早切入SiC半导体材料的关键生产技术和设备，突破外商限制，建立领先国际的次世代晶圆及生产设备技术，维持台湾韧性供应链的竞争优势。

2022年已在经济部支持下，成功开发出SiC晶锭雷射切割加工关键技术、晶锭移载等试量产设备，在南台湾建构完善的化合物半导体产业设备与制造能力，增加半导体相关产业量能及就业机会。

且因为晶锭裂片表面粗糙度约为66μm，还须经过研磨设备进行表面研磨，才能继续进行雷射改质制程。南分院也特别开发专用於4寸~8寸SiC晶锭研磨设备，并透过即时厚度量测系统监控，将晶锭表面粗度研磨至nm等级，再利用机器人传输到雷射改质设备，进行下一道次的雷射切割制程。

南分院打造测试验证平台服务 加速成立化合物半导体产业聚落

值得一提的是，为了过去化合物半导体材料开发流程只能各凭本事，上下游无法接轨运作，只能进囗居多。工研院电光系统所营运总监朱慕道指出，南分院还自2018年成立台南、高雄实验室，并提出「南方雨林计画」，辅助化合物半导体开发业者落地，并建置材料、元件特性与制程验证、电性评价平台等雏型品验证服务（α-site），即时改善以协助材料最隹化、缩短开发过程，以快速导入市场。

图四 : 工研院电光系统所营运总监朱慕道指出，南分院自2018年成立台南、高雄实验室，辅助化合物半导体开发业者落地，并建置材料、元件特性与制程、电性评价平台等雏型品验证服务。（摄影：陈念舜）

包括因晶圆切割表面易受机械加工形成锯痕与次表面损伤层（Sub Surface Damage；SSD），SSD验证对於提高晶圆表面品质、平坦度非常重要，但因为SiC晶圆坚硬且化学稳定性高，SSD检测困难而常被业者忽略，有赖於该平台建立快速简易的SSD验证方法，以协助台厂优化晶圆制程，提高抛光品质。

进而携手半导体/封装厂等End Users，推动下游产品试量产验证（β-site）链结α-site，以及导入可靠度测试、失效分析等品质管理手法，协助厂商提升试量产批次稳定性，确保材料能被「作得对又好」，与业界共同建立至少13项标准，促其提高使用意愿，也助於评估开发6寸SiC晶圆切割抛磨的品质验证。

未来还可??藉此研发利基，力推於2025年达成开发8寸长晶、晶锭雷射切割设备与模组，以及关键制程材料自主化，弥补Disco的6寸切割设备仅独家供应Wolfspeed，台湾以进囗钻石线切割设备为主的缺囗。

最终基於台湾功率元件厂商规模较小，不易取得系统验证环境，导致因产业认证时间过长，面临经营资金压力，南分院因此发展运作AQG-324高功率元件/模组与测试验证平台与上线服务，确保可通过ISO 17025认证。

最终经由跨业整合材料、制造、设备、设计、模组系统与测试串联产业链，建立化合物半导体技术与测试验证中心与南部新兴产业聚落，以吸引学研界能量培育人才，将材料生产落地高雄、元件制造在南科、模组系统与试量产在新竹/沙仑院区等，以吸引国际合作、??注厂商资源，而投入化合物半导体策略与布局。

**刊头图（摄影：陈念舜）