製程創新驅動綠色轉型　SiC基板製造降低環境衝擊

全球減碳浪潮下，碳化矽(SiC)功率元件雖具高效能優勢，卻面臨製程耗能與排放挑戰。本文探討業界公司如何以創新材料與製程技術，降低SiC基板製造的環境衝擊。

氣候變遷帶來的影響，已促使全球共同努力以降低溫室氣體排放。半導體在現代消費性與工業應用(或電力負載)電氣化的過程中扮演關鍵角色，應用範圍涵蓋電動車(EV)、商業用供熱/冷卻系統等。此外，它們在電力生產與分配中也極為重要，特別是在大型再生能源發電系統的電力轉換與儲能、電網電力分配，以及家用微型逆變器太陽光電(PV)系統等領域。

相較於傳統矽基功率元件，諸如SiC等寬能隙(WBG)半導體具有效率高、功率密度大與性能優勢。因此，它們能在執行相同任務時降低能耗，帶來潛在的環境效益。然而，這類元件的製造過程本身極為耗能，部份抵銷了上述環保效益。為此，多家元件製造商、大學與研究機構正積極投入技術研發或尋找方法，以便在SiC功率元件製造過程中降低對於環境造成的影響。本文介紹三個具代表性的業界實例。

利用CO₂進行SiC基板製造

SiC晶圓通常透過物理氣相傳輸(PVT)法製造，其過程是將SiC粉末昇華並沉積於種晶(SiC單晶)上。此昇華來源為粉末狀SiC，而這些SiC粉末通常是以艾奇遜法(Acheson Precess)製造。艾奇遜法由Edward Acheson於1896年取得專利，其原理是讓二氧化矽與石油焦(一種碳的形式)發生反應，需在約2000℃的高溫下進行，並產生一氧化碳排放。

2024年，日本化學公司Resonac與東北大學(Thohoku University)展開合作研究，開發一種製造SiC粉末的替代方法。Resonac為一家專注半導體材料的化學公司，產品涵蓋前段製程化學品(如氣體、溶劑、研磨液)、後段封裝材料(如封裝膠、模封材料)、磊晶晶圓、LED晶片等，其中SiC磊晶晶圓為其重要產品之一。東北大學則致力於研發一種更環保的SiC粉末製造流程，作為SiC晶圓製程的關鍵起點。

圖1：艾奇遜法與日本東北大學所開發替代製程的SiC粉末製造比較示意圖。

在這項新方法中，研究人員使用「矽泥」(silicon sludge)作為原料之一，該物質可來自矽晶圓切割過程中產生的廢棄物；另一個主要原料則是二氧化碳(CO₂)。CO₂為主要溫室氣體之一，若能將其捕獲並再利用於SiC晶圓製造所需的重要原料生產中，不僅實現碳再利用，也有助於降低SiC元件製造的整體環境影響。

在東北大學的製程中，研究團隊利用微波加熱矽泥，使其與CO₂發生礦化反應(mineralization)。此創新技術不僅實現廢棄物再利用，更能用於SiC功率元件的生產。

至2025年7月，Resonac與東北大學宣佈該製程的基礎研究階段已完成，並完成以此礦化方法製得之SiC粉末所生成晶體的特性分析。目前正進行實際應用化的綜合研究。預估若生產100噸SiC粉末，可減少約110噸CO₂排放，同時能回收大量CMOS元件大規模製造過程中產生的矽泥廢料。

圖2：Resonac與東北大學合作開發之SiC功率元件製造技術示意圖。

(來源：Resonac Corporation)

以冷切割技術製造SiC基板

SiC晶圓傳統上以鑽石鋸片與研磨漿液從晶錠(ingot)中切割而得，這會造成相當可觀的材料損耗與浪費。2018年，英飛凌科技(Infineon Technologies)——全球主要的SiC功率元件與模組製造商之一——收購了Siltectra公司，取得其所開發的創新「冷切割」(Cold Split)技術。

該技術的原理是利用雷射在SiC晶體內部形成一層「預損傷層」(pre-damaged layer)。在雷射線形成後，研究人員會在SiC晶體表面塗佈特殊聚合物，接著以液態氮冷卻，藉由聚合物與SiC間不同收縮率所產生的機械應力，使SiC沿著雷射損傷區精確分離。

這一「雷射-聚合物-冷卻」組合的應用可多次重複，以製得所需厚度的晶圓(標準厚度約為350µm)。此製程大幅減少材料浪費，並提高SiC晶錠的利用率。根據英飛凌的資料，採用該技術後，每個晶錠可產出的SiC晶圓數量最高可達傳統方法的兩倍。

圖3：冷切割—以雷射與低溫應力分離技術，倍增SiC晶圓產出晶片數。

(來源：Infineon)

工程基板：SmartCut技術延伸至SiC

法國公司Soitec於1990年代開發了絕緣層上覆矽(SOI)晶圓技術。這項創新方法基於SmartCut製程，其核心為在氧化處理過的「供體晶圓」(donor wafer)中，於特定深度植入氫離子(ion implantation)，以實現薄膜分離。完成高劑量植入後，該晶圓會被翻轉並以氧化層鍵合至另一片稱為「承載晶圓」(handle wafer)的基板上。

經熱處理後，供體晶圓會在氫離子植入層處精確分離，其上層薄膜則牢固地鍵合於承載晶圓。剩餘的供體晶圓仍保持高品質，可再次用於下一片SOI晶圓製備。氫離子植入深度可精確且均勻控制，使其可應用於多種SOI晶圓，如雙極CMOS-DMOS、射頻(RF)與全耗盡SOI技術，用於高速混合訊號等先進應用。

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