半導體科技的進步，滿足了人類的需求，在永續發展的願景下，也驅動全球對於循環材料的日漸重視。台灣作為矽晶圓代工重鎮，為了能使矽資源永續發展，本文將介紹廢棄矽晶回收方法、碳化矽粉末製備方法，並探討碳化矽元件應用及市場趨勢，說明循環矽材之碳化矽材料的應用潛力與未來發展。
【內文精選】
前 言
台灣半導體產業在矽晶圓代工領域居全球之冠。身為全球半導體生產大國，一個月產生的矽晶圓廢料超過5,000噸。然而，科技技術的進步滿足了人類的需求，但對於環境的污染卻越來越大，如何讓廢棄的資源能適得其所是循環材料的主要目的。本文將以廢棄矽晶切削邊角料作為原料，透過純化回收製程後，再製成碳化矽原料，俾能減少環境污染及資源浪費；並給予循環矽材之碳化矽的應用方向建議，期望在國家政策的支持下，讓業界、法人與學術單位能相互合作，提升相關研發能量、培養人才、提升國內原物料之自主性，並建立產業聚落，達到循環材料之高值化目標。
碳化矽元件應用
功率元件技術是能源轉換及電能利用的過程中，不可或缺的關鍵元件。功率元件主要包括功率二極體、功率三極體、晶閘管、金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)等，幾乎用於所有的電子製造業，包括電腦、網路通訊、消費電子、汽車電子、工業電子等電子產業。此外，電動車、充電樁、智慧製造、物聯網等新興應用領域逐漸成為功率元件的重要應用市場，從而推動其需求增長。
碳化矽市場趨勢
目前全球使用最多的半導體元件，大多是以矽基板做成的；不過，矽基半導體的材料物理特性不適合用於功率元件所需之高溫、耐高壓、耐高電流、高能源轉換效率等條件上。在電動車的功率元件開發上，充電效率與材料特性息息相關，寬能隙材料—碳化矽因其優異物理特性而備受關注，可實現更佳的導熱性、更高的開關速率且更小尺寸的物理元件，也因此，寬能隙半導體材料推動了新一代電源的出現。
碳化矽粉末合成與長晶方法
2. 碳化矽長晶方法
碳化矽長晶主要有三種方法：物理氣相傳輸法(PVT)、高溫化學氣體沉積法(HT-CVD)及液相磊晶法(LPE)，目前國際大廠Cree、SiCrystal、II-VI、ST主要以物理氣相傳輸法與高溫化學氣體沉積法作為碳化矽長晶的方式。因為碳化矽屬於化合物材料，碳化矽長晶速率大約100~500 μm/hr，比純矽晶長晶的速率30,000 μm/hr低了上百倍。
圖二、物理氣相傳輸法長晶示意
廢棄矽晶回收製備高純碳化矽粉體
矽作為最主要之半導體與光電材料，在生產製程上會產生許多廢料(或稱邊角料)，此邊角料仍具有一定高純品質(圖五)，因此有許多家廠商已投入將廢矽晶回收利用之開發。另外學界也在研究提升廢矽晶回收的附加價值，其中，成功大學材料科學及工程學系劉全璞教授藉由回收廢矽晶後再循環利用製備出高純碳化矽粉體，如圖六所示。廢棄矽晶切削邊角料主要是單晶矽製作切割下來的邊角料(圖六)，其純度較高，可透過各階段的純化流程，如：移除…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、廢棄矽晶邊角料回收流程
★本文節錄自《工業材料雜誌》421期，更多資料請見下方附檔。