九月_SiC碳化矽專題｜SiC碳化矽晶圓製程技術發展概況分析(下)

表2、四種碳化矽晶碇切割技術比較

資料來源 : 工研院IEK, 2023；智璞產業趨勢研究所整理，2023/08

機械切割已廣泛用於矽晶圓生產，所以技術成熟度高，是目前碳化矽基板切割的主流技術。其方法是利用切割線摩擦損耗晶碇後逐步切成基板。依據切割材料可分成漿液與鑽石線切割等兩種方式，前者是在漿液中添加微小磨粒，透過切割線帶動磨粒磨耗晶碇以逐步移除材料，但同時會造成切割線耗損而增加材料成本。於是近幾年碳化矽基板製造商都改用鑽石線切割，其鑽石磨粒是直接鑲在金屬切割線上，可大幅降低線材消耗量並提升切割效率。目前鑽石線切割設備的主要供應商有HTC、Meyer Burger、NTC、Yasunaga、Tatatori。其中碳化矽基板切割絕大部分採用Tatatori設備，市占率近90%，該公司成立於1950年，初期是生產縫紉機，1980年代因為日本紡織業衰退而逐步轉型研製特殊材料、半導體、顯示器、醫療等產業設備，其線切割機具備專利保護的搖擺切片機制，當鑽石線與晶碇接觸時會以弧形切割工件，使力量集中施加到接觸區域以提高基板切割精度和效率，是前述廠商中唯一銷售碳化矽專用機台的公司，今年推出名為MWS-SiCXα的新設備，可用於切割8吋以上碳化矽晶碇。

圖1、搖擺切片機制製程示意圖

資料來源 : Tatatori (2010)

然而由於碳化矽硬度高，使得鑽石線切割速度很慢且表面非常粗糙，導致後續還需要粗磨、細磨、拋光等繁瑣加工製程，例如20公分的6吋碳化矽晶錠耗費100小時的切割到拋光製程後才得到32片基板，所以發展出其他創新切割技術。2016年Disco提出名為KABRA的雷射切割技術，其作法是透過雷射光聚焦於加工面進行掃描改質，接著施加些微外力即可剝離。2017年推出名為KABRA! Zen的雷射切割設備，從切割到拋光的所有製程都可單機完成。KABRA技術宣稱優勢包括：(1).大幅縮短基板製作時間，從鑽石線切割的每片3.1小時降至10分鐘；(2).因為分離後的基板表面粗糙度小，後續不需要研磨過程；(3).切割損耗小，使得產出基板數量比鑽石線切割增加44%。雖然KABRA雷射切割速度快、耗材少，但因為設備價格昂貴，所以少有廠商導入；Siltectra發展出名為Cold Split的雷射切割技術，係以雷射對欲剝離區域進行掃描改質，再使用聚合物材料黏著於晶碇上，之後加以冷卻即可沿著雷射改質層分離出基板，最後清洗基板去除聚合物。號稱可將碳化矽基板製程良率提高90%並增加3倍產能，故可生產2倍數量的元件而讓其生產成本降低20~30%，該公司於2018年被Infineon 收購。

圖2、Cold Split製程示意圖

資料來源 : Siltectra (2018)

離子佈植切割技術是先對碳化矽晶錠的加工面以離子佈植進行改質，再將晶碇貼在多晶基板上以剝離出單晶基板，之後持續執行前述步驟直到晶錠用完為止，此技術幾乎無材料耗損，並省去背面研磨製程，還不用昂貴的雷射切割設備，故吸引少數廠商投入研發，目前已有Soitec的Smart Cut和Sicoxs的SiCkrest等技術。Smart Cut技術宣稱可將碳化矽基板產能提升10倍，20mm晶錠可產出400片表層幾乎無基面差排缺陷的基板，故可提升元件良率20%。Soitec已與CEA-Leti、A*STAR等科研機構與設備商Applied Materials[AMAT]共同推展該技術，並於2022年新建6吋和8吋碳化矽基板生產線；SiCkrest技術宣稱可以將碳化矽基板生產成本降低 50%。Sicoxs計劃於2025年將6吋碳化矽基板月產量提高到1萬片。

圖2、Smart Cut製程示意圖

資料來源 : Soitec (2021)

放電切割技術是以電能熱熔融碳化矽晶碇以形成基板，也能夠進行多線切割，並藉由使用較細的電極線降低切割材料損失。Mitsubishi Electric已推出名為D-SLICE的放電切割設備，售價低於100萬美元，比雷射切割機設備便宜很多，但現在只能切割4吋碳化矽晶錠。該技術切割時產生的高溫會在晶錠內累積大量熱能，加工面積變大讓熱能更不容易散去，故需要開發有效的散熱機制。

研磨後的基板表面仍很粗糙，需要透過拋光降低粗糙度。一般拋光後的4與6吋碳化矽基板粗糙度須介於0.1~0.3nm，而8吋碳化矽基板則是小於0.1nm。目前已發展出化學機械拋光(CMP)、電化學機械拋光(ECMP)、化學磁流變複合拋光(CMRF)、常壓電漿輔助磨料拋光(PAP)、光敏粒子輔助化學機械拋光(PCMP)、超音波輔助化學機械拋光(UCMP)等技術，以化學機械拋光為市場主流技術，其設備主要供應商有Applied Materials、Entegris、Revasum、Hamai、Speedfam、Oxford Instruments等公司。其中Applied Materials為全球最大的矽半導體製程用化學機械拋光設備商，2021年針對碳化矽基板推出名為Mirra Durum CMP的8吋拋光設備，具備拋光、移除量測量、清洗和乾燥等功能，可較傳統批次式化學機械拋光設備減少3倍粗糙度。

因為碳化矽長晶過程的溫度梯度變化非常大，所以很容易產生螺旋差排、刃差排、基面差排、微管、疊差等缺陷，都可能減低後續元件製程良率，故基板必須經過檢測以確認缺陷數符合客戶標準才能出貨，客戶收貨後也會再驗以確保只有合格基板才能投產，所以帶動缺陷檢測設備需求，主要供應商有KLA、Lasertec、Screen、Bruker、Rigaku、Tasmit、Keyence、Semilab、Vision。

隨著各國積極推動節能減碳政策，促使電動車、再生能源、智慧電網市場蓬勃發展，進而帶動碳化矽功率元件龐大需求。在碳化矽功率生產成本中以基板所占比例最高而且也是目前主要技術瓶頸所在，所以對於產業發展影響最大，為此全球主要供應商都積極新建8吋基板生產線並擴大6吋基板產量以降低元件生產成本。然而為了盡快達成擴產目標，預期大多數基板製造商會投入成本努力研發出能有效提升良率地生產技術。在長晶、切割等關鍵製程仍分別以物理氣相傳輸法、鑽石線切割為市場主流技術，其他創新技術雖然可提高效率或降低材料損耗，預期有主流廠商(Major Player)導入且有量產實績背書與合宜的設備後方能吸引基板商導入生產線，預估造成碳化矽基板生產之產業變革時間點大約在2024年底甚至到2025年。