半導體製程原理&材料完整說明｜認識第一、三類半導體製程

隨著科技進步，半導體產業蓬勃發展，晶圓製程的複雜度也日益提升。為了因應多元的晶圓製程需求，半導體設備供應商必須提供專業的設備與解決方案，才能協助客戶生產出高品質的晶圓。本文將深入探討半導體製程的關鍵步驟，認識第一類半導體和第三類半導體的製程順序。了解半導體製程細節，將有助於尋找符合需求的半導體設備供應商！

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半導體的基本概念及主要材料

半導體材料是現代電子產品的核心，目前主流的材料是矽（Silicon），佔據全球半導體市場約九成份額。除了矽之外，還有其他類型的半導體材料，如第二類半導體製程所用的材料為砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP），主要應用於通訊和感測相關產品，產值和應用範圍相對較小。而第三類半導體製程的主要材料則是碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN），在快充、電動車和通訊等領域廣泛應用。

然而，高純度的碳化矽（SiC）原料難以取得，主要應用於國防和軍用雷達等領域。加上製造碳化矽磊晶需要經過切割、研磨和拋光等高難度加工步驟，這使得整個半導體製程變得相對複雜，因此具備生產能力的製造商極為稀少，進而導致市場呈現壟斷狀態。

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半導體製程的核心原理、基礎定律

製造一顆能夠處理訊號的晶片，其原理類似於建造房子一樣，從設計、選材到最後裝配，每個步驟都至關重要。第一類半導體是以矽（Si）為基礎的半導體，半導體製程相對成熟，已有超過60年標準化生產流程的歷史，從晶圓製備到封裝都有明確的步驟。

與矽晶片製程相似，第三類半導體製程也需要經過基板、磊晶、IC設計、製造、封裝等步驟，才能產生一顆晶片。半導體製程主要是根據摩爾定律（Moore's Law）推進長期發展，即在相同尺寸的晶片上，每隔18個月，電晶體數量和性能將增加一倍。為了達到此目標，業界持續投入更多資源優化先進封裝技術，並致力將更多電晶體堆疊在單一晶片上，以降低耗電量、提升晶片效能。
 

摩爾定律（Moore's Law）是什麼？如何影響半導體製程？
摩爾定律是由英特爾（Intel）創始人之一的高登‧摩爾提出的觀點，指出積體電路上可容納的電晶體數目，大約每隔兩年會增加一倍。這個觀點影響了半導體製程，推動了半導體技術的快速發展，進而驅動了許多科技創新和社會進步。然而，隨著元件尺寸接近物理極限，挑戰也隨之增加。為了延續摩爾定律，業界尋求改善電晶體結構設計，探索不同的材料和元件結構，如奈米線電晶體，以提高對電晶體中電流的控制能力。

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第三類半導體製程的應用有哪些？

第三類半導體近年來越來越受關注，因為它們比傳統半導體能承受更高電壓、電源轉換效率更高、散熱也更快，這讓它們在許多高科技領域中發光發熱，特別是在電動車、5G 通訊、再生能源等應用上，第三類半導體未來將成為推動科技創新的重要力量。

一、車用電子、5G、再生能源發展潛力大

氮化鎵和碳化矽特別適合用在光達（LiDAR）、電動車、5G 基地台、衛星通訊、馬達控制、風力發電等領域。其中，車用電子、5G 和綠能產業都是未來大商機，隨著這些技術不斷進步，市場需求也持續增長中，未來有望帶來更多創新應用和商業機會，成為全球科技發展的重要推動力。

二、全自動駕駛、AR、機器人技術突破

跟矽元件相比，氮化鎵能發射更快的雷射信號，特別適合激光雷達（LiDAR）技術，能創造 360 度的 3D 影像，大大推進自動駕駛、AR 擴增實境、機器人的發展，第三類半導體這項技術未來也可被應用於智慧城市、無人機以及精密測量等領域，引領各行各業的創新應用。
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三、醫療應用：無線充電 & 高解析度影像

第三類半導體的高效能，讓無線充電變得更穩定，不只用在手機、筆電，甚至還能應用在醫療設備！比如以下：

• 膠囊內視鏡：讓病人吞入後進行腸胃檢查，可提供 10 到 100 倍超高解析度的影像，幫助更早期發現癌症或疾病。

• 植入式醫療器材（心臟節律器、心臟泵浦）：無線充電減少外部電線的需求，降低感染風險，提高病人的生活品質。

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四、5G 應用：高速、低延遲的新時代

第三類半導體的高頻特性，讓它在 5G、射頻元件、雷射、半導體照明上都能獲得很好的應用，碳化矽基氮化鎵（SiC-GaN）能承受高溫、高頻，散熱也更好，因此5G 基地台的功率放大器會逐漸轉向使用 SiC-GaN，成為市場主流。

第三類半導體製程5步驟一次看！

第三類半導體與第一類半導體在生產管理和製造流程上有許多相似之處，甚至部分技術也有重疊。在IC設計方面，兩者之間也沒有太大的差異，都是按照摩爾定律發展製造，進行製程與架構選擇、電路設計、規格定義、可靠性分析等製程。現在，讓我們深入探討第三類半導體製程的五大步驟。

第三類半導體製程步驟１：基板製備

想做出高品質的碳化矽（SiC）基板，第一步就是「長晶」，做法是把碳化矽粉末放進高溫密閉的爐子裡，讓它昇華，再讓蒸氣凝結到晶種上，形成單晶，這個過程完全是在「黑盒子」裡進行，因為溫度超過2100℃，還要維持低壓和穩定環境，最後成果如何，得等到結束才會知道。
 

晶圓（wafer）扮演製造電腦晶片的關鍵角色，類似於積木建造房屋的過程，透過逐層堆疊來形成所需的晶片。然而，要建造完美的房子，需要穩固的基礎。在半導體製程中，通常會使用噴頭反應器（Shower Head）進行單晶圓晶片的處理，這種半導體設備也適用於批量處理多晶圓。噴頭反應器的孔洞結構對於晶圓上氣體的均勻沉積至關重要，而噴頭的設計也將直接影響著晶圓製作的完整性和可用性。

第三類半導體製程步驟２：磊晶（Epitaxy）

磊晶是半導體製程中的關鍵技術，能在現有的晶片表面上長出一層新的結晶，以增強半導體元件的性能。這種可以製造新半導體層的技術，又稱為磊晶成長（Epitaxial Growth），會先在基板表面沉積化學物質，然後在基板上逐層形成薄膜，俗稱磊晶。磊晶技術可用於製造各種半導體元件，尤其在製作化合物半導體時更為重要，如砷化鎵磊晶晶圓。透過磊晶技術，可以控制晶片的厚度和結構，從而提高元件的性能和製造效率。
 

碳化矽磊晶相對簡單，因為它的材料與基板相同，晶格匹配度高，主要是優化結構和品質。相較之下，氮化鎵（GaN）就沒那麼容易了，目前氮化鎵基板還沒量產，成本也比矽貴上好幾十倍，因此，業界多採用矽基氮化鎵（GaN on Si）來降低成本。長遠來看，碳化矽基氮化鎵（GaN on SiC）更有發展潛力，被視為是未來的主流技術，因其導熱優異的特性，適合高溫、高頻、高功率的設備，比如低軌衛星和5G基地台。

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第三類半導體製程步驟３：IC設計

積體電路（Integrated Circuit，IC）是將大量電晶體電路以縮小的方式集成到矽晶片上，再透過蝕刻去除多餘的部分，形成IC。IC設計是半導體製程中的重要一環，其流程包括電路設計、光罩製作、晶片製造和封裝。IC作為電子產品的核心，其設計直接影響最終產品的功能和性能，因此在IC設計中，首要步驟是明確規格，包括晶片的目的和性能需求，並確保符合相關協定，以保證與市場上的產品相容。
 

對IC設計來說，高純度碳化矽材料取得不易，加上基板與磊晶製程複雜，要拿到結構穩定的基板和磊晶相當困難，這會直接影響到晶片良率，是IC設計面臨的一大挑戰，且IC設計不只是畫電路圖而已，還得與晶圓代工廠密切合作，保證設計出來的晶片能符合製程需求。由於材料與製程技術仍在發展中，產品設計與實際量產的晶片可能會有落差，因此IC設計者必須深入了解材料特性，才能打造高效能晶片。
 

目前第3類半導體的領先企業主要集中在歐美，這與當地產業發展有，由於汽車與工業領域對功率元件需求龐大，讓第3類半導體在歐美地區有了成長的舞台。相比之下，台灣產業以消費型電子產品為主，偏重於台灣產業以消費型電子產品為主，這也是為什麼雖然台灣有許多家IC設計排名全球前10，但在第3類半導體領域仍面臨人才短缺的問題。

第三類半導體製程步驟４：IC製造

IC製造流程包括了電路設計、晶圓製造、光罩製作、晶片製造和封裝等五個主要步驟。IC晶片的製造過程就像是用積木打造自己想要的造型，不同於矽製程需要整合多層材料，第3類半導體製程只需10至20層。然而，第3類半導體製程面臨著多重挑戰，包括材料取得、製程經驗和封裝技術等方面。為了克服這些挑戰，研發人員需要更深入地了解碳化矽和氮化鎵等材料的特性，以確保產品能夠順利進行量產。
 

而且第3類半導體的製程設備無法完全沿用矽製程機台，許多步驟都需要新的機器來執行，這也讓機台製造商和晶圓代工廠必須聯手開發適合的設備，目前台灣的第3類半導體產業尚未規模化，市面上也還沒有對應的機器設備供應商。不過，台灣在矽製程上的技術實力深厚，未來可運用既有的微影、薄膜與蝕刻技術，來克服材料挑戰。

第三類半導體製程步驟５：IC封裝

雖然台灣的第3類半導體產業還在發展階段，但在封裝技術上其實有很大的優勢，台灣過去在功率元件封裝累積了不少經驗，像是用在IGBT（絕緣閘雙極電晶體）的封裝測試技術，就能快速轉移到第3類半導體。
 

IC封裝是保護晶片免受損壞的重要步驟，由於晶片小且薄，容易受到外界因素的影響，因此需要進行封裝。封裝過程包括將晶片放入塑膠、陶瓷或金屬外殼中，以保護其不受水氣、灰塵、靜電等影響。封裝材料的選擇必須考慮成本和散熱效果。IC封裝結合鏡面加工技術，可使物體表面達到鏡面效果，提高晶片表面硬度和元件使用壽命。這種技術在半導體製程中廣泛應用，能全面保護晶片的安全性和耐用性。

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結論

半導體製程極其複雜，唯有採用專業的半導體設備，以及一連串標準的半導體製程工序與品管流程，才能確保製造出品質優良的晶圓。豪震作為精密加工和精密零件的專家，憑藉著先進的化學表面處理技術、完善的品質控制系統和精密的半導體設備，為晶圓生產奠定了堅實的基礎，有效提高半導體製程的生產效率和良率。如果你正在尋找專案所需的精密零件或半導體設備，以製造出高品質、高精度的半導體元件，歡迎立即聯繫我們。