電動車、5G與半導體等產業，開始大量使用高硬度和耐高溫的化合物半導體材料，目前半導體材料之研磨加工設備及耗材皆由國外把持，然機會是目前化合物半導體材料所有製程、設備、耗材尚未明確且標準化，有必要加強研發以期未來單晶碳化矽時代來源時之競爭優勢。本研究以6吋單晶碳化矽基板為技術基礎，規劃跨入8吋單晶碳化矽磨削國產化設備及製程技術為主，開發6/8吋單晶碳化矽磨削加工設備與智慧即時監控的整合性技術，目標是攜手精密機械/半導體產業聚落，使台灣成為亞洲/全球的化合物半導體材料加工的裝備之研發與供應基地，希望經由產學研的密切合作，產出台灣獨特的創新技術、專利與人才培育。
前言
目前，電動車、5G和半導體等產業正積極採用高硬度和耐高溫的化合物半導體材料，全球半導體產業已進入第三代寬能隙(WBG)化合物半導體材料時代，主要以碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表，市場目前以單晶碳化矽(SiC)晶圓為主要發展方向，據調查2023年全球年總產能約為50萬片，其中台灣廠商主要聚焦在150mm(6吋)規格，中國則以100mm(4吋)為主，歐美地區已朝向200mm(8吋)至300mm(12吋)投入製程能量，預計2025年全球市場將以200mm(8吋)晶圓為主要開發方向。
第三代功率半導體材料的生產加工過程中，主要包括切片、雙面研磨、粗研磨、細研磨和化學機械拋光等四個主要製程步驟(如圖1所示)。然而，這些製程步驟相當繁複，需耗時長，效率低，且容易導致產品品質不穩定，進而限制了半導體產值和良率的提升。
值得注意的是，目前台灣的研磨技術仍以4吋/6吋半導體為主流，但未來市場趨勢逐漸轉向8吋半導體。此外，台灣半導體材料的研磨加工設備及關鍵耗材目前主要由國外供應，這對於提升台灣半導體產業實力造成一定的制約。因此，為了強化台灣在半導體領域的國際競爭力，需加強針對未來單晶碳化矽半導體材料加工製程的研發技術，同時積極研發國產化設備，以提升整體半導體產業的技術水平和市場競爭能力。
此外，目前矽晶片已接近其理論上的物理極限，使得寬能帶的半導體材料成為下一代發展的重點。舉例而言，一輛Tesla電動車所需的碳化矽晶圓就已達六吋規格，推動半導體先進材料加工市場需求急速增長。此外，國際趨勢正朝向8吋單晶碳化矽技術發展，然而，由於單晶碳化矽具有極高硬度(莫氏硬度9.3-9.4)、脆性、化學惰性，以及容易產生次表面損傷等特性，使其成為難以加工的材料。目前以傳統研磨製程所需的時間長，且品質不穩定，進而導致後續的化學機械拋光時間長達2-3小時。迄今為止，對於單晶碳化矽的標準製程、設備和耗材尚未明確。
為了提高磨削效率，已有超音波振動輔助切削技術整合在傳統的CNC多軸工具機上，被證實可應用並有效提昇刀具壽命、切削效率和加工品質。DISCO公司已經開發了將超音波應用於磨削機制的技術，然而在國內，尚缺乏針對超音波輔助磨削加工系統、智慧線上監控和機上光學量測提出創新方法。
在磨削製程中，砂輪的健康狀態直接關係到研磨後的品質。目前大部分監控仍主要依賴傳統電流監控系統，然而，這對於半導體製程來說，由於整體過程的磨削精密度較小，訊號相對較小，因此採用聲波發射(AE)監測更為普遍，但其昂貴且訊號處理複雜。
半導體加工製程中，除了加工技術外，晶圓檢測設備也是不可或缺的。目前整體製程中，此步驟仍然採用離線檢測，不僅過程需要反覆檢測，不便利，且檢測精度也較低，不夠實用。目前缺乏一個更直接且方便的技術，使操作人員能夠快速操作，而不影響加工品質。此外，研磨後品質(表面刮痕)的判定標準仍由人工經驗裁決，缺乏明確的標準和自動化設備，對半導體產業的發展產生極大的影響。因此，提出針對化合物半導體材料加工需求，研發高效率高品質的高速磨削智能化加工系統解決方案(如圖2所示)。
超音波輔助磨削加工製程
單晶碳化矽(SiC)化合物半導體材料因其高硬度(莫氏硬度9.2~9.6)、高脆性和低斷裂韌性等難加工特性，使得其磨削製程容易導致材料脆性斷裂，形成破脆層並產生表面和次表面嚴重損傷，進而影響加工精度，隨著晶圓尺寸的增大，加工難度進一步提高。
為解決這一業界挑戰，引入超音波輔助研磨硬脆材料技術，透過超音波高頻率振動結合磨削旋轉運動的複合式加工方法，將原本連續的磨削行為轉變成間斷性磨削，減少砂輪接觸材料時產生的磨削阻力和磨耗狀態，進而降低Blaha效應，且磨削力釋放快速，能有效減少裂紋激增，促使切削液迅速排除晶圓切屑，減少鑽石砂輪研磨面填塞，避免切屑殘留晶圓表面，造成較深刮痕，或填塞砂輪導致砂輪鈍化，減少加工脆裂的可能性，如圖3所示。
目前國內在超音波振動輔助切削技術方面已在傳統的CNC多軸工具機上經過驗證，對於先進半導體材料的應用已被證實可有效提升刀具壽命、提高切削效率與加工品質。此外，迪思科高科技股份有限公司(Disco)已經成功開發將超音波加工應用於晶圓磨削機制上的技術。然而，國內半導體領域目前尚未有針對超音波輔助磨削加工系統之應用。
近期國內全鑫精密工業股份有限公司與國立勤益科技大學、國立中興大學合作，共同投入研發超音波輔助加工系統及超音波主軸，整合這項技術於全鑫精密工業股份有限公司GTR-1215液靜壓立式精密減薄機，配合高剛性液靜壓軸承提升磨削旋轉精度及磨削性，搭配20kHz超音波振動頻率，並經由2000號鑽石砂輪研磨盤實機磨削6吋單晶碳化矽晶圓測試中可發現，砂輪研磨盤於超音波震動輔助下有著更高的磨削比(GR)與磨削壽命，其碳面(C-Side)之GR值由1.9提升至2.5其升幅達32%，矽面(Si-Side)之GR值由2.0提升至2.6其升幅達30%，如圖4所示。
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