前瞻半導體／AI智能晶圓研磨加工系統 助效率倍增

【撰文／梁雯晶】

化合物半導體「碳化矽」是世界各大半導體業者積極競逐、布局的重要技術。工研院研發可提升碳化矽晶圓加工製程效率的「AI智能晶圓研磨加工系統」，以AI判讀晶圓加工訊號，大幅提升加工效率並降低生產成本，鞏固臺灣在全球半導體產業鏈的領先地位。

隨著電動車、新能源、高頻無線通訊等應用崛起，矽半導體對高溫、高電壓的耐受度已達極限，耐高溫且擁有高功率、高崩潰電壓、高電流密度、高頻等特性的「碳化矽」（SiC）與「氮化鎵」（GaN）等化合物半導體，開始受到全球市場關注。

特別是在高溫狀態下具穩定性及低耗損電力轉換的碳化矽，適合成為高功率設備的關鍵零阻件。例如在車用領域中，碳化矽可作為電動車動力系統電源模組與電動馬達驅控器的功率半導體材料，在高溫環境下穩定運作、耐高電壓、充電更快，並延長續航能力，成為發展電動車產業的核心零阻件，市場需求逐漸擴大。

工研院機械與系統研究所副組長張高德表示，過去碳化矽的產業應用受限於長晶困難，發展較慢；近年伴隨著長晶技術突破，碳化矽晶圓應用開始突飛猛進，尺寸放大至6吋，甚至是8吋，吸引美國、中國各大科技廠爭相投資，以布局持續強勁成長的電動車市場。

但前段製造技術突破的同時，也面臨著後段加工製程難度的提升，「碳化矽的硬度僅次於鑽石，相較於傳統的矽晶圓，其研磨加工技術難度更高。」張高德表示。

硬度僅次於鑽石　加工研磨遇瓶頸

研磨拋光加工製程屬於晶圓加工的關鍵製程，能改善前段線切割製程在晶圓上形成的凹凸不平微缺陷、減薄晶圓厚度，並使其鏡面化，是決定晶圓最終成品品質的關鍵技術。研磨晶圓相當要求設備及加工技術的精度，過程中若有不慎，不僅影響產品良率，甚至有可能造成晶圓破片。

碳化矽的加工製程分為研磨（Lapping）及輪磨（Grinding）兩種方式，其中又以具有高材料移除效率的砂輪輪磨為主流。張高德進一步說明，砂輪為多孔性材料，輪磨過程中隨著晶圓碎屑積累造成填塞，導致砂輪鈍化，必須停機修整砂輪或是更換砂輪才能繼續磨製。且碳化矽為脆性材料，莫氏硬度等級達9，輪磨如此硬脆的材料時，阻力加大，更易造成砂輪鈍化，導致晶圓產生邊角脆裂、表面裂紋等瑕疵。

「目前碳化矽晶圓已放大到8吋，尺寸愈大加工難度愈高，加工成本占整體製造成本的40%以上，比矽晶圓高很多。」工研院機械與系統研究所資深工程師丁嘉仁指出目前碳化矽晶圓在產業應用上所遇到的技術瓶頸。

為協助臺灣產業建立碳化矽產業鏈，工研院針對碳化矽晶圓加工需頻繁停機更換耗材的痛點，研發出AI智能晶圓研磨加工系統，透過AI聲頻感測器分析，對晶圓加工過程訊號進行判讀，即時分析研磨砂輪的填塞及鈍化狀態，並搭配內嵌超音波輔助加工模組，以超音波將砂輪上晶圓碎屑震動下來，自動修銳砂輪，使其保持銳利。

翻轉產量劣勢　創造技術取勝格局

臺灣半導體產業鏈完整，為我國具競爭優勢之產業，在國際競相布局化合物半導體材料應用的局勢下，國產製造的晶圓加工設備可協助臺灣產業鏈降低碳化矽晶圓生產成本，並推動後續產業應用。

「AI智能晶圓研磨加工系統除可提升生產效率3至5倍，更重要的是整套設備系統都是臺灣百分之百研發製造。」丁嘉仁表示，工研院與臺灣設備廠創技工業、主軸廠釸達精密、晁群合作，整合具振動輔助的高功率主軸及砂輪監控等2項技術，開發出智能化晶圓加工系統，並交由碳化矽晶圓長晶廠穩晟材料進行驗證，試量產8吋碳化矽晶圓。

AI智能晶圓研磨加工系統解決了加工製程中生產效率及成本瓶頸，協助國內廠商加入如今正火熱的碳化矽市場，建構臺灣碳化矽晶圓產業鏈。「此系統亦可廣泛應用於矽晶圓、藍寶石的研磨上，促進相關加工產業技術升級。」張高德補充說明。

目前的碳化矽產業鏈中，以量取勝的中國取得領先優勢，臺灣則受限於成本問題，仍在起步階段。工研院機械與系統研究所經理翁志強指出，臺灣碳化矽晶圓的生產量尚不足以供應給原件端製造相關應用，整體產業鏈發展的速度有待提升。有了AI智能晶圓研磨加工系統作為開路先鋒，將可提升臺灣碳化矽晶圓產業鏈的競爭力，逐步突破目前的「以量取勝」格局，轉為「以技術取勝」，攜手產業搶進高速成長中的化合物半導體商機。