洞悉一切、眼見為憑，分析技術為下一個神山之基石
台灣在矽半導體產業上一直是世界的領頭羊，台積電更被稱為護國神山，許多人在問下一個護國神山在哪？深入探討電動車、AI、能源、6G通訊與生醫等具未來性的產業時，可發現化合物半導體扮演著關鍵角色。化合物半導體材料由
兩種元素組成，具有寬能隙特性，其中氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)目前最為火熱。尤其碳化矽，市場前景分析報告中其應用發展的經濟成長率預計能超過10%以上。在材料在開發與應用上最重要的就是Q (Quality)，包含產品品質與失效分析等。隨半導體製程發展，分析技術和設備與時俱進，從光學顯微鏡(OM)進步到掃描式電子顯微鏡(SEM)，目前更是到達需要以原子級的穿透式電子顯微鏡(TEM)進行分析；而純度分析更從3N進步到12N，精度從光學放射光譜儀(OES)到質譜儀(MS)，從破壞性分析到非破壞性分析。分析不僅只是發現缺陷，更要能回溯與解決問題，進一步了解原物料特性與製程參數之關聯性，以提升產品品質與穩定性。
在5G設備、智慧型行動裝置、混合動力與電動汽車、電源和太陽能光電需求的刺激下，市調機構預測2024年的SiC功率半導體市場將以29%的複合年增長率成長，達到20億美元。在產業鏈當中，所有元件的製作關鍵都來自於晶圓，由於化合物半導體的類型眾多，且不同材料特性對應晶圓成長方式亦有所不同，因此發展化合物半導體材料及元件時，為實現最終元件應用端，首先必須了解元件開發的特性需求，由於原料粉體的品質和相關特性會直接影響最終產品的性能和可靠度表現，故需針對粉體品質分析的主要方向，包括成分組成、晶體形貌、粒徑分布、堆積密度、流動性以及純度等項目，了解粉體優勢與潛在缺陷特性後，再分別將適當的對應原料投入製程當中。「化合物半導體碳化矽粉體品質分析」一文以SiC為案例，從文獻來探討SiC粉體從最初合成原料的檢測、製作，到完成至投入晶圓生長的階段，作為未來製程發展的參考。
具有寬能隙性質之化合物半導體材料有氮化鎵、碳化矽、氮化鋁、氧化鎵與鑽石等，而其中碳化矽材料因有高導熱性、高電子遷移率與耐高電壓擊穿等特性，並且在量產性上也較其他材料容易，使其成為在高功率與高頻通訊元件應用中的主要襯底材料。碳化矽晶圓的製造流程與矽晶圓有所不同，「碳化矽晶圓製程與磊晶品質分析」將從碳化矽的原料合成、長晶製程、晶圓製備與磊晶等流程進行說明，也將針對晶圓的缺陷、平整度、電阻率、摻雜量與膜厚等品質分析項目與設備原理進行簡介。碳化矽晶圓製程及其磊晶品質分析是當前半導體產業中一個有挑戰性但極具前景之領域。工研院材料與化工研究所建立化合物半導體粉體製程及晶體驗證實驗室，以高純粉體合成、晶體長晶、材料檢測分析等先進技術與關鍵設備建置，與業界合作並串聯上/中/下游廠商，通過持續的研究、技術創新與產品驗證，提升國內相關產業技術與量能。
綠能、電動車崛起，碳化矽憑藉著高能隙、耐高壓、高熱傳等特性而備受青睞，這些性質讓碳化矽可運用於高功率元件中。但台灣受限於本土資源匱乏，關鍵原料受外國掌握，使得碳化矽發展落後。台灣於矽半導體產業發達領先，製程的矽邊角料充足且純度高，能作為碳化矽之原材料，以達到循環經濟，並降低原物料對國外的依賴性。「GDMS於再生循環製備高純碳化矽材料分析」從循環矽材料製備再生碳化矽出發，介紹輝光放電質譜儀(GDMS)在再生循環製程中扮演的角色。GDMS的快速、高靈敏、多元素的高解析度分析能力，不止適用於檢測再生循環材料，更可應用於製備高純度材料中各製程節點的純度分析，以鑑別製程條件對純度的影響，使得材料純度得以進一步提升，進而提高成品的利用價值。
元素分析廣泛用於各種不同的領域，不管是學術界、傳統產業、電子業、半導體業等，都需針對材料的元素成分、元素比例進行分析。「利用雷射誘導擊穿技術及結合拉曼光譜進行半導體材料分析」一文報導，雷射誘導擊穿光譜技術(LIBS)是一種幾乎非破壞性的化學成分分析技術，其為非接觸之量測技術，不受待測物質的類型或物理狀態的限制，能夠在一次測量中快速進行多元素分析，而且不會影響其精確度，並可執行樣品表面及深度之成分分布量測，使其非常適合作為材料成分分析工具及在工業環境中進行線上即時量測應用。利用雷射誘導擊穿技術結合拉曼光譜儀，可進一步獲得待測材料之化學結構與鍵結資訊，對於材料成分結構提供更詳細的資訊。
化合物半導體晶圓的品質決定其可製成終端元件的最大良率。晶體長晶及晶圓加工過程，可能於晶圓表面或次表面造成各種缺陷。化合物半導體晶圓製程的高成本及低良率是目前亟待解決的問題。「太赫茲技術應用於化合物半導體材料分析」一文指出，太赫茲光波對於半導體晶圓有較高的穿透深度，因此成為化合物半導體合適的非破壞性晶圓品質測量方案。開發改善晶體長晶及晶圓加工以降低缺陷密度的製程技術及可同時識別和定位缺陷的檢測技術，已成為化合物半導體晶圓製造的關鍵。傳統光學晶圓檢測的穿透深度小於10微米，而太赫茲波可穿透半導體晶圓，成為化合物半導體的非接觸及非破壞晶圓品質測量方案。以穿透、反射及全晶圓掃描，可測量半導體材料的穿透率、反射率、介電常數、導電度及均勻度等材料特性及檢測晶圓缺陷。
迎向ESG永續浪潮：構裝產業創新布局碳中和技術
面對全球ESG永續的浪潮，減少碳排放是一個重要的指標。近年來國際大型終端電子產品廠，紛紛針對達到淨零碳排提出目標時程，各大國家也制訂減碳路徑及增收碳稅等規劃並逐漸實施。電子產業產值居我國工業第一大，其碳排放量則是製造業的第二大，達3,200萬噸，而當中關鍵的IC、面板、PCB及陶瓷元件製造為主要碳排來源，而且都是國際前三大產業。國際減碳壓力如RE100、供應鏈減碳等都是電子業重點，品牌商如Google、微軟、三星及Apple等積極要求2030年與供應鏈共同朝向碳中和。相關產業面臨淨零碳排壓力，若未能快速建立碳中和技術，電子業將失去國際競爭力。目前電子產業積極利用自身廠務減碳、提升設備效率與綠電運用，三箭齊發達到初期減碳效果；後續期盼能夠在原料及各產業材料配方與製程上有所創新，結合既有減碳路徑，方可有效達成碳中和目標。
電子構裝用石油基樹脂在開發上需要具有優異的黏著性、機械性能、電氣絕緣性和化學耐性等特質，因此，長時間以來對基板材料的極高規格要求使得要從電子產品中替換材料變得困難。但是，由於面臨到電子構裝所需要的配方成分複雜且屬於高度交聯的產品，要直接從產品回收樹脂再利用存在著一定的難度，因此廢棄後皆是以焚燒作為最終的處理手段，而由此產生的化石CO2在地球大氣中的積累是全球溫室效應的原因之一。基於此，尋找石油基樹脂的可再生替代品，以減少溫室氣體的排放將是當務之急。「電子構裝用再生低碳樹脂」盤點材料減碳技術，非石化料源的樹脂材料的替代，無論是生質或是循環料源均可快速地降低整體碳排。
國內印刷電路板供應鏈的產品製造分工精細，中小廠商家數眾多，今(2023)年TPCA甫完成第一個官方版的台灣PCB供應鏈碳排放資料統計報告實屬不容易。由於全球暖化加劇，電子產品減碳成為國際產業趨勢，資訊品牌大廠已陸續執行碳中和策略並開始邁向淨零排放。電子產品中碳足跡較高的部件如PCB，亦開始採取減量設計，這對於掌握新台幣近兆元PCB產值的台商來說是一項警訊。「PCB減碳技術發展現況」一文介紹資訊電子產品減碳設計趨勢，梳理國際間正在發展的PCB減碳技術，盼能協助台灣PCB業者規劃合適的產品減碳策略。
環氧樹脂具有優異機械、化學及熱性質，廣泛應用於電子構裝材料中。現階段生產不良品或退役後產生之電子廢棄物多以掩埋或焚燒（溫度≧600˚C）處理，對環境造成嚴重負擔。異方性導電膠膜廣泛應用於液晶顯示面板、觸控面板與IC或軟性印刷電路間電性連接導通。現有導電膠連接組件於拆除時，會有元件易損壞或殘膠無法去除的困難，而無法循環再使用，迫使不得不將這些元件棄置。「易降解構裝材料技術」報導工研院開發可降解型環氧樹脂材料，透過觸媒引發讓熱固共價網狀樹脂在相對溫和的條件下得以被分解，初步導入異方性導電膠膜(ACF)及FOG載具進行驗證，元件壓合導通電阻值為1.46 Ω，低溫觸媒拆解無殘膠，重新壓合導通元件阻值為1.81 Ω。驗證結果顯示，具有使用於低溫拆解導電膠膜應用的潛力。
台灣擁有全球最大規模的PCB產業鏈，市占率約30%，根據工研院產科國際所整理，2020年總產值已突破新台幣1兆元，成為最新的兆元產業。PCB產業鏈中，包含板廠、材料廠、設備廠等，台廠規模都是數一數二，因此也衍生了不少工業用後廢棄物。淨零轉型關鍵戰略中希望達成資源循環零廢棄目標，若將此類廢品轉成新資源再利用，碳排放量則會降低。目前，PCB製程廢棄物都是委託處理機構採取相應技術處理，「乾膜光阻副資材轉製再利用技術」一文介紹PCB乾膜光阻副資材(PE與PET膜)之處理技術，透過最新的熱裂解化學回收技術，將副資材廢塑料轉製成油品再利用，其經濟效益具有潛在吸引力，可以帶動台灣廢塑料循環產業的發展。
太陽光電產業與技術發展近況
太陽光電是國際邁向淨零的重要技術選項，根據IRENA 2023年的統計報告，全球太陽光電累積設置量在2022年達1,053.1 GW，正式突破1,000 GW整數大關！推估在2025年底全球累積量就很有機會超越2,000 GW，成長力道持續維持在高檔。國內市場至2023年6月底已達11,000 MW，6年半成長7.8倍。這兩年來更有許多新的突破：例如近期推動的漁電共生，將共創多贏、複合利用的國際領導光電型態；屋頂型在《再生能源發展條例》修法、未來細部配套完整後，有望每年持續帶給國內穩定的200~300 MW屋頂型光電潛能；另外太陽光電與儲能的整合應用，預計在2025年推動達成光儲500 MW的目標，可望讓既有的饋線運用更提升，也收某種能量移轉之效；而來自國內產業的綠電剛性需求，將賦予太陽光電的發電價值，成為更多產業未來順利接單的關鍵角色。技術面上，TOPCon已有逐步取代PERC的趨勢；鈣鈦礦太陽電池技術則伴隨臺灣鈣鈦礦研發及產業聯盟的成立注入新活力；新的應用場域如海上型或離岸型光電的示範研究很快也會啟動。由此可看出國內的太陽光電產業仍是持續往前大步邁進，朝淨零永續與產業發展方向前進。
全球氣候變遷的威脅日益增加，各國紛紛提出「2050淨零排放」的目標。為了達到這一目標，太陽光電在減少溫室氣體排放方面扮演著重要的角色。太陽光電產業鏈包括上游的原材料生產、中游的太陽電池與模組封裝，以及下游的零組件與系統工程。「矽晶太陽電池技術概論」聚焦於目前市場上主流的矽晶太陽電池技術，對幾種不同類型的矽晶太陽電池，包括Al-BSF、PERC、TOPCon、HJT和IBC太陽電池的原理、結構、製程及轉換效率等做整理及介紹。目前市場主流產品仍然以PERC太陽電池為主，市占率超過70%。TOPCon由於其優異的表面鈍化效果及與主流產線良好的兼容性，進而成為目前最熱門的研究項目及產品。主宰市場的矽晶電池是難以取代的主流產品，因此低成本及高效率意味著發電成本更具競爭力，是市場使用者評估是否採用的標準。
在過去十年中，鈣鈦礦太陽電池(PSCs)快速發展，目前最高效率紀錄是中國科學院的26.0%轉換效率，面積為0.075 cm2。為了進一步滿足實際應用的商品化需求，如何提升鈣鈦礦太陽光電模組的效率和穩定性已成為熱門的研究主題。對於研究來說，未封裝的微型鈣鈦礦太陽光電模組(PSMs)為一種方便研究的樣品，然目前未封裝PSMs的穩定性遠低於未封裝PSCs，顯示PSMs相較於PSCs存在著更複雜的退化機制。一般實驗室研究採用的未封裝PSMs包含至少一個串聯電路，其中鈣鈦礦薄膜部分接觸金屬電極或暴露在空氣中，會增加造成鈣鈦礦退化的路徑。「鈣鈦礦太陽光電模組穩定性之進展與挑戰」概述PSMs穩定性的進展和挑戰，以及最新的改善方法。
隨著氣候變遷與節能減碳的議題逐漸受到國際重視，再生能源已成為全球科技發展的重點。台灣屬海島型國家，四面環海，未來有機會發展海上型太陽光電系統。光電系統常建置於濱海區等嚴苛環境，對系統可靠度影響甚遠，最著名的案例是2013年澎湖的低碳島專案計畫議題，可知目前國內業者對嚴苛環境建置系統經驗不足。「海上型太陽光電系統的技術與挑戰」一文回顧現行海上光電系統技術現況，並探討系統面臨的問題與挑戰，最後給予建議方向，提供產業建置系統時參考，期望有助於產業永續發展之效益。
主題專欄與其他
鋰離子電池因具高理論容量，被視為儲能之星。但傳統式液態電解質具可燃性，安全性不受保障，故具阻燃性之無機固態電解質成為電池之研究焦點之一。其中，氧化物型固態電解質為目前常見之固態電解質之一。鈉超離子導體型固態電解質，因其空氣穩定性佳而具應用潛力；石榴石型固態電解質因其卓越之離子導電率與高熱穩定性，亦具潛在之應用價值。氧化物型固態電解質雖具許多優點，仍因與鋰金屬具備鋰枝晶、界面副反應等問題而難以實際應用。「以專利與論文地圖建立全固態鋰離子電池界面改質技術」延續上期，根據專利與論文搜索之結果，介紹有關組裝固態電解質之鋰金屬電池先前的研究與發表，研究團隊並採用界面修飾之方法抑制界面副反應，以提高固態電池之循環壽命。
水環境治理作為生態環境治理的首要任務，是我國環境保護的重中之重。然而，現行的水環境監測方式主要依賴現場採樣後送至標準實驗室進行分析，雖然可以獲得高準確度的數據，但卻面臨著人力消耗大、耗時長且缺乏自動化的問題，限制了其推廣應用的範圍。有鑑於傳統水質監測方法無法取得有效且連續的監測數據，在民眾環保意識逐漸抬頭之際，為能提供快速且即時的環境數據分析服務，開發有利於連續自動監測的感測元件、感測器及數據分析平台為重要的一環。《水科技物聯網之發展與應用」延續上期，介紹環保署與工業技術研究院在過去幾年針對國產化水質感測器及水科技物聯網合作開發的成果，並針對流域管理與科技執法面的應用加以說明。期透過水科技物聯網的建立，落實應用於水質監測及管理，確實提升環境品質。
技術發表會「半導體製程化學機械研磨污泥零廢棄技術開發成果」一文報導之技術，屬於都市採礦創新技術的開發專案，利用火法冶金及濕法冶金等兩大核心技術原理，進行CMP工業污泥的產品化開發，加工成為礦石粉及工業級硫酸銅等兩項產品。其係將CMP污泥利用火法冶金中焙燒技術進行前處理矽鋁氧化物濃集，再利用濕法冶金中浸漬技術，使矽鋁氧化物與有價銅金屬進行分離，提高固相中矽鋁氧化物之純度，矽鋁氧化物再經粉體加工程序生產礦石粉產品，作為塑料、建材填充粉等用途。另外，分離後之液相，利用溶媒萃取製程，將液相中銅離子萃取反萃濃縮，產出硫酸銅水溶液產品供工業應用。目前獲得的先導廠試車生產操作參數，預計作為投料量約1萬噸/年產能規模之商轉工廠的設計參考資料。
專文篇篇精彩，歡迎賞閱！凡對以上內容有興趣的讀者，歡迎參閱2023年9月號《工業材料雜誌》或參見材料世界網，並歡迎
長期訂閱或加入
材料世界網會員，以獲得最快、最即時的資訊！