晶片之戰的隱形英雄：五大半導體材料開啟自主化新時代
隨著積體電路技術邁向更高密度、更高速與更低功耗的方向發展，半導體製程對關鍵材料的性能、功能性與製程相容性提出更嚴格的要求。其中，高解析光阻劑在微影技術中占據核心地位，其解析度直接決定了晶片線寬的精細程度。根據市場調查，全球光阻市場持續擴張，2022年市值達37.6億美元，預估至2028年將成長至50.1億美元，顯示光阻劑在半導體產業中的重要性日益提升。這些半導體關鍵材料—從光阻、抗反射層、光酸，到厚膜材料與高介電圖案化材料—在製程精度提升、元件微縮、系統整合等方面皆發揮關鍵作用。未來隨著AI、高速運算、低功耗裝置等應用需求持續攀升，半導體材料技術的創新與在地化發展將成為全球競爭的核心焦點。
隨著積體電路微縮化的進展，應用產品朝向體積小、速度快、效能高的趨勢發展。而積體電路元件尺寸縮小的關鍵技術在於光學微影，在光微影成像系統中，半導體光阻劑為相當重要的關鍵材料之一。根據GII市場調查報告，2022年全球光阻市場價值為37.6億美元，預估2028年將成長至50.1億美元，到2028年CAGR為5.02%。「半導體用高解析光阻劑」一文針對半導體光阻劑的進展、半導體光阻劑市場趨勢和廠商動態等作說明。未來高解析光阻市場的發展受到技術突破與市場競爭的雙重影響，企業將透過併購與技術合作擴大市場占有率，並加大對EUV光阻、金屬氧化物光阻與乾式光阻的研發投資。
微影製程中使用抗反射層(ARC)，透過光學干涉相消或吸光設計，有效減少曝光反射、提升光阻圖案解析。近年隨著新興科技發展，半導體晶片需求大幅增加，預計2030年全球抗反射塗層市場規模將達4.18億美元。「半導體用抗反射層材料」介紹抗反射材料種類、有機底部抗反射材料(BARC)設計與相關專利。為推動國內關鍵半導體材料開發，工研院材料與化工研究所基於既有半導體光阻開發與驗證能量，亦建置BARC材料評估與製程驗證平台，提供自發色團評估、BARC樹脂合成、BARC配方開發與製程應用所需的測試與分析，協助國內材料廠開發可匹配應用基板及光阻之BARC材料，加速產品化導入半導體市場，強化國內半導體關鍵材料技術。
半導體產業是全球關鍵技術之一，應用範圍廣泛。為了達到高密度的IC電路布局及減小產品體積，半導體尺寸急速縮小，晶圓上的線路亦隨之微縮。在先進半導體製程技術中，顯影製程為相當重要的一個步驟，影響著線路圖案化的精細程度，而光阻在微影製程中扮演關鍵的角色。光阻藉由光敏感劑於曝光後產生化學變化，影響顯影過程中的圖案形成。光阻劑配方由樹脂、光酸、溶劑以及微量的添加劑所組成，其中光酸雖然用量相對較少，但光酸的特性直接影響顯影後的圖案化效果，是半導體製程中不可或缺的存在。「半導體用光酸材料技術」將介紹光酸(包括離子型與非離子型)的作用機制與應用。工研院近年亦進行光酸的相關研究，以符合現今國際對於光酸材料的需求。
厚膜光阻劑是目前半導體材料當中最重要的材料之一，其包含複雜的樹脂設計、製造流程和塗佈技術的工程，而台積電、三星等公司在先進製程上面的晶片製造也會使用到不同種類的厚膜光阻材料。「半導體用厚膜光阻」以各家光阻劑大廠相關技術發展來介紹厚膜光阻產品於不同晶片結構上的應用。目前半導體製造行業中，正負型光阻材料一直都在使用，但由於電子材料的薄型化與超小尺寸的發展，對光阻解析度越來需求越高，因此許多半導體廠、面板廠選擇正型光阻。然而，負型光阻材料亦是一種很好的材料，可用於不需要如此高解析度的半導體材料；同時，與正型光阻相比，負型光阻具有更快的製造速度、更寬的操作域度和更低的材料成本，負型光阻對某些基材材料也有更好的附著力。
隨著半導體技術的快速發展，異質封裝成為提升系統效能與縮小封裝尺寸的關鍵技術。去耦電容作為電源完整性的重要元件，需具備高電容密度、低寄生效應與良好的製程兼容性。嵌入式去耦電容透過高介電常數材料整合至封裝基板，有助於提升供電品質，尤其在異質整合與系統級封裝技術中發揮關鍵作用。此外，在3D IC封裝中，高介電薄膜去耦電容能提升晶片間的訊號完整性。傳統高介電材料多為非感光型，因此開發可圖案化的高介電有機–無機混合材料，相較於傳統陶瓷電容與低介電材料，可圖案高介電聚醯亞胺在異質封裝中展現出更高的設計靈活性、更低的製造成本與優異的熱穩定性，其選用感光性聚醯亞胺與鈦酸鋇粉體，透過高介電分子設計與粉體分散技術，提升介電常數並降低空隙形成，可進一步優化去耦電容與先進封裝的應用。「半導體用高介電圖案化材料」一文探討了高介電感光性圖案化材料的設計原則、製造方法及其在先進半導體封裝製程中的應用。
開創陶瓷材料應用新局面
隨著製程技術與材料科學的進步，陶瓷的應用正從傳統走向高科技領域。因應產業升級與技術整合需求，本期「結構陶瓷技術及產業應用」技術專題從「陶瓷3D列印」、「磁磚的創新與應用」、「陶瓷切削刀具」、「陶瓷精密加工」至「陶瓷材料檢測技術」五個領域方向，來介紹工研院材料與化工研究所的陶瓷研發能量。陶瓷3D列印為近年材料與製造領域的重要突破，能實現高複雜度、內部結構多變的陶瓷構件；磁磚為陶瓷應用中最具規模的傳統產業，其創新焦點近年已轉向功能化與智慧化表面處理，例如：抗菌、自潔耐污、防靜電、多孔等磁磚；高性能陶瓷切削刀具通常為一種改質材料，兼具高硬度、高熱穩定性與耐磨耗特性，特別適用於高速加工鑄鐵、鎳基超合金等難加工材料，是替代碳化鎢刀具的潛力新星；陶瓷精密加工透過如：超音波加工、雷射輔助加工、放電加工(EDM)與拋光技術，使陶瓷加工技術的發展趨勢朝向多元化與高效能化，是陶瓷材料應用邁向高值化的關鍵步驟；陶瓷材料檢測技術則是產品的品質保證與研發的基礎支撐。多種陶瓷技術面向，從傳統到高階陶瓷材料市場朝向高值化、客製化與智慧化的發展趨勢，對我國陶瓷產業升級與國際競爭力具有深遠意義。
陶瓷材料因其高耐熱性、耐久性和良好的生物相容性等特性，在許多高階應用中有不可替代的優勢。陶瓷與3D列印技術的結合，超越了傳統陶瓷製造在形狀複雜和客製化方面的限制，為航太、醫療和電子等領域帶來創新應用，例如：輕量化的陶瓷零件和生物相容性植入物。這種結合為高性能組件開發提供了前所未有的可能性，是過去傳統方法難以實現的。「淺談3D列印陶瓷」一文探討陶瓷3D列印的原理、市場現況、主要技術及未來發展趨勢。陶瓷3D列印快速發展具有巨大潛力，可徹底改變各個產業的製造業。目前在材料、精度、生產效率、可擴展性、後處理複雜性以及成本方面存在挑戰，有賴持續努力研發獲得解決。
磁磚起源於古巴比倫，早期用泥土與纖維製成磚塊；至古希臘、羅馬發展陶瓷技術，磁磚用於裝飾；中世紀歐洲以彩繪釉面磁磚美化教堂；工業革命後，機械化生產提升品質，現代磁磚以石英、黏土製成，兼具耐久與美觀，成為建築首選建材。近年來，磁磚的功能性發展迅速，結合科技賦能，滿足現代生活的多元需求。「科技賦能：磁磚的創新與應用」一文介紹現今常見的自潔、抗菌、防靜電、調濕、隔熱、防滑等不同功能的磁磚及其功能原理，不僅延續了傳統磁磚的裝飾與保護功能，透過材料科學的創新、製程技術的優化與市場策略的調整，功能性磁磚有望在未來的建築與裝修市場中占據更重要的地位，成為智慧建築發展的重要里程碑。
隨著工業的進步，加工技術與工件材料不斷演進，推動了刀具材料的快速發展。陶瓷切削刀具憑藉著優異的硬度及耐熱特性，在高速切削的應用日漸受到重視，並且在傳統硬質合金刀具難以加工的高溫合金領域也越來越普及。「陶瓷切削刀具發展趨勢」一文系統性地回顧了刀具材料的發展歷程，並介紹當前幾種常見的氧化鋁基和氮化矽基陶瓷刀具的特性與其適用範圍。最後，為了克服陶瓷刀具的可靠度問題並延長其使用壽命，文中探討了幾個當前主要的研究方向，聚焦在提升陶瓷刀具的強度與韌性，延長使用壽命，並降低製程成本。
陶瓷材料具有優異的耐熱性、耐腐蝕性與機械強度，被廣泛應用於航空、半導體產業、醫療和機械等領域。由於陶瓷的脆性與高硬度，其加工技術相較於金屬與聚合物更具有挑戰性。「陶瓷加工技術」探討陶瓷加工技術的發展歷程與現況，並分析主要加工方法，包括：傳統機械加工、雷射加工、超音波加工、電化學加工、放電加工與複合加工等，並討論其原理及應用。此外，也探討陶瓷加工技術所面臨的挑戰與未來的發展趨勢，包括精度與表面品質提升、加工效率與成本控制、難加工陶瓷材料的技術突破、數位化與智慧製造技術的融合、綠色與永續製造等，以滿足產業日益提升的需求，而跨領域的合作與基礎研究的深化將是推動該領域技術革新的關鍵動力。
「陶瓷材料檢測技術」一文指出，結構陶瓷材料因其優異的機械強度、耐高溫特性與化學穩定性，在半導體、航太、電動車與生醫領域的應用日益增加。全球市場預測顯示，結構陶瓷產業將持續成長，亞太地區更因完整供應鏈與製造能力成為發展重心。由於檢測技術對於確保材料品質與可靠性至關重要，因此工研院材料與化工研究所建置完整測試能力，涵蓋機械特性、熱物理性能與微觀結構分析。其中硬度測試、彎曲強度測試與熱分析能評估材料的耐用性與穩定性，熱膨脹係數測試則影響零件匹配性與應用精度，微結構分析可診斷缺陷並透過優化製程提升性能。材化所致力於提供材料檢測與技術支援，協助產業提升產品品質，縮短開發週期，提升市場競爭力，並在電子半導體、機械製造與醫療器材等領域提供客製化解決方案，以滿足高性能材料應用需求。
主題專欄與其他
「企業電動機車碳排效益分析」著重於企業導入運具電動化，以機車作為評估示範，並凸顯於企業落實ESG貢獻。由於電動運具的碳排揭露資訊尚未完整，存在計算時使用的方法不同及擷取邊界的差異，迄今尚未有完整的文獻專章討論電動運具的減碳效益。本文主要探討電動機車減碳的量化數值，並以組織、產品、專案層面去解析對應的效益，同時依據ISO標準來估算數值，應用於ESG對應的標準呈現。結果顯示，電動機車可減少58~68%企業組織型溫室氣體中燃油機車的碳排，而電動機車雖然於原料與製造階段碳排大於燃油機車，但其於使用階段減少的燃油碳排，在行駛一年以上可超過原本製造階段的碳排達到減碳效益。電動機車減少的碳排放量依據國內現有的碳權市場，企業可透過汰換廠內運具為電動運具來取得自願減量專案的碳權額度，而民眾則可透過汰換一輛10年以上燃油機車為電動機車取得減碳額度獎勵，依此間接計算出電動機車每公噸減碳量約新台幣652元。研析現有企業落實案例，評估企業使用電動機車減碳落實ESG的可行性，最終將這些成果應用於企業落實ESG或碳中和的路徑，實現淨零目標。
鋰金屬是一種活性極高的1A族鹼金屬物質，因為是原子序最低的金屬物質，所以在電池整體重量與鹼金屬容易延展的設計考量下，鋰金屬能計算出最大的重量與體積能量密度。然而，鋰金屬高活性的缺點，使得鋰電池的商業應用性被侷限，如：儲存使用的安全疑慮、電池壽命性能低落、製程環境嚴苛以及原材料成本昂貴等因素，因此才有了後續使用碳/石墨取代鋰金屬作為電池陽極材料的翻轉。近期電動車輛、儲能需求大幅提升，對於鋰電池能量密度提升的期待也刻不容緩，諸多學者與產業紛紛提出再次使用鋰金屬作為電池材料的可能性。鋰電池相關技術在經過了超過35年的商業運轉以及技術精進的演進之後，鋰金屬的商業使用已出現可能，「下世代超高能量密度鋰離子電池設計—鋰金屬負極的開發、應用與安全性」延續上期，針對過往鋰金屬使用會出現的問題、學理機制以及目前可能的解決方案進行介紹與剖析說明。
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