魏碧玉、楊文辰、翁彗慈 / 工研院材化所
在二十一世紀工業轉型與淨零排放(Net-Zero Emissions)趨勢的雙重驅動下，稀貴金屬(Rare PreciousMetals)已由基礎工業原料升格為核心戰略資產。其中，鎵(Gallium; Ga)雖於終端產品組成中占比極微，卻具備如工業維生素般的關鍵影響力，支撐半導體、光學感測及綠能產業等的高效運作。隨著地緣政治局勢改變及2023年起出口管制政策的影響，鎵關鍵材料的供應鏈韌性正面臨著嚴峻挑戰。本文以鎵金屬為核心對象，剖析其獨特的物理化學特性於半導體製程與應用之優勢，並全面檢視從原生礦鎵提取、二次資源循環、提純至終端產業應用的相關技術。
【內文精選】
二次資源鎵提取分離技術
二次資源(Secondary Sources)物料主要包含製程新廢料(New Scrap)與終端電子廢棄物(Old Scrap/E-waste)。相較於原生礦開採，由二次資源回收，理論上具有更低的碳足跡，但技術門檻與集運成本為主要的限制因素。其中：
①新廢料：指晶圓製造、切割、研磨及封裝過程中產生的廢漿(Slurry)、不良品、坩堝殘留物及MOCVD製程的沉積物。
②舊廢料：指報廢手機、LED光源及CIGS太陽能板等消費後的廢棄產品。
1. 傳統提取分離技術
目前廢鎵化合物的鎵提取技術主要區分為火法與濕法冶金兩大途徑。火法冶金多用於處理含封裝材料的廢料（如廢LED等），在例如900~1,200℃下進行高溫焙燒，但此過程會伴隨較高的能耗與碳排放。濕法冶金則是目前主流的回收方法，透過酸/鹼液（如HCl）進行溶解與萃取；然而面對化學惰性極強的GaN晶格，傳統酸浸往往無效，如圖一流程所示，必須在高溫高壓釜中，結合大量強酸/強鹼作用，方能使鎵化合物斷鍵，常伴隨大量廢液須處理，也導致設備的投資較高昂。
圖一、廢LED中鎵提取之氧化焙燒-酸浸流程
2. 低碳提取分離技術
為了克服傳統提取分離技術在環境保護與能耗上的劣勢，目前國際上已積極發展綠色、低碳之技術方案。生物浸出(Bioleaching)法主要依賴微生物代謝的物質（如有機酸等）進行反應，如利用異養菌（如Aspergillus Niger）代謝產生的有機酸進行質子攻擊與螯合，或透過嗜酸菌（如Acidithiobacillus Ferrooxidans）的氧化還原反應，將Ga從廢料中釋出。在提升分離效率與選擇性方面，離子液體(IonicLiquids)憑藉其零蒸氣壓、不易燃及可調控性，成為取代傳統有機溶劑的高效媒介。
利用如Cyphos IL 101等膦類離子液體(Phosphonium-based Ionic Liquids; PILs)，能針對GaAs晶圓或LED元件廢料進行萃取，並有效避免VOCs的排放。此外，透過微波輔助(Microwave-Assisted)的選擇性加熱特性，可將浸出反應時間縮短；而真空熱解(Vacuum Pyrolysis)則能利用蒸氣壓差異，在不產生劇毒砷氧化物的前提下，實現Ga與As的高效資源化回收等。儘管上述提取技術已展現潛力，但距離大規模工業化仍存在顯著挑戰。例如，生物冶金法因反應週期過長導致時間等成本較高；離子液體方式則受限於高昂的藥劑合成代價與回收穩定性仍差，目前皆多處於實驗室開發階段。
有鑑於此，工研院材化所輕量化材料與設計應用研究室目前正積極投入研究，著力於開發廢GaN之低能耗共熔鹽(Eutectic Salt)鎵浸出技術。此技術旨在利用無機鹽類共熔的特性，以建構一個高效的反應介質。與傳統需千度高溫的火法焙燒相比，此技術能在較低的溫度下誘發GaN結構的斷鍵；同時，相較於反應緩慢的生物法，具備了更優異的動力學優勢 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》475期，更多資料請見下方附檔。