張雯琪 / 工研院產科國際所
化合物半導體的應用市場
隨著5G、電動能源車、光達等產業興起，矽晶圓受限於高頻與大功率操作限制，無法滿足新興科技毫米波高速度、低延遲傳輸，以及快速充電等產業需求，化合物半導體逐漸成為半導體產業的下一個兵家必爭之地；包括適用於光通訊與3D感測的砷化鎵GaAs、5G/B5G頻段放大器的潛力材料磷化銦InP、已被積極採用於射頻元件與光學雷達的氮化鎵GaN，以及能源車車載充電模組的首選碳化矽SiC。
然而，現今製造化合物半導體元件的關鍵設備與技術均以歐、美、日廠商為主，例如GaN與GaAs的磊晶設備、SiC的長晶與晶圓加工設備，除了需具備半導體設備開發的基礎，還需要更多材料化學知識與經驗累積，因此，本文將透過研析領導廠商技術，並基於國內研發能量，提出國內設備商的發展機會點。
國產磊晶設備技術機會點
三五族半導體磊晶的生長大多是利用有機金屬化學氣相磊晶(MOCVD)及分子束磊晶(MBE)這兩種方式。MOCVD是透過加熱前驅物(Precursor)使其氣化，並透過載體氣體的傳送，於低壓的腔體中，在高溫1,000度左右的基板上進行化學反應，並形成緊密排列的薄膜。MBE則是在超高真空(<10-8 torr)的環境下，直接加熱元素至昇華形成分子束，透過分子束接觸基板形成磊晶薄膜。由於MOCVD是直接使用氣體進行反應，反應速度較快；MBE尚需要時間加熱形成分子束，雖然磊晶薄膜的厚度精密性較佳，但是速率較慢，僅約MOCVD的十分之一，因此，目前產線仍以MOCVD為主要設備。
MOCVD市場規模在2020年約12億美元，預估到2025年將成長至52億美元。全球前二大供應商分別是Aixtron (市佔46%)與Veeco (市佔27%)。MOCVD設備腔體的設計，依照氣體傳送方式，分為噴灑式與匯流排式進氣兩種，各別被領導廠商Aixtron與Veeco採用。
Aixtron 2020年營收以設備的終端應用區分，佔比排序依次為LED、光電元件、電源元件。從地區來看，最大銷售市場亞洲約佔七成，美洲與歐洲的銷售則約各佔一成。Aixtron的MOCVD腔體中可同時容納數十片晶圓，氣體由腔體上方的噴灑頭射出，經過慢速旋轉的晶圓，在基板上方以水平層流沉積在基板表面，反應後的氣體再透過腔體外圍的吸氣裝置，快速抽離。此裝置的優點是同一批次的晶圓品質差異小、同一片晶圓的均勻度佳；但由於噴灑頭與晶圓間距小，因此每批次結束後，都需要打開腔體清理，造成機台利用率低、維護成本較高、每批次之間磊晶品質差異大等缺點。
Veeco 2020年營收最大來源是前段半導體製造部門，包括用於製造EUV光罩圖樣的離子束沉積系統，約佔總收入的三成；其次是化合物半導體部門，包含應用於VCSEL、micro-/mini-LED、RF元件製作的設備，約佔四分之一；數據存儲部門，以銷售薄膜磁頭製造設備也約佔四分之一；其他用於研究機構和其他應用的設備營收，約佔總營收一成。Veeco的MOCVD腔體中也可同時容納數十片晶圓，但各批次之間不開腔體清理。以TurboDisc技術腔體高速旋轉但晶圓不自轉，進氣方式採用專利Uniform FlowFlange，氣體由上方匯流排進入腔體，在腔體旋轉帶動下沉積於晶圓表面。此設計的優點是匯流進氣的氣體流量大，且批次之間均勻性較佳；但腔體內容易受殘氣覆蓋(Coating)。
檢視鄰近同為全球半導體產能主要輸出國家，中國大陸與南韓在MOCVD設備自主的經驗：中國大陸主要是透過中央政策鼓勵，以及地方政府高度響應，促成中微半導體、北方微電子、中晟光電及華燦光電發展。此外，為了幫助國產MOCVD設備落地，以政府補助的方式，降低國產設備採購門檻，使得中國大陸廠商擴產時優先選購國產設備，增加國產設備市佔率。韓國則是在大約十年前，為了擺脫用於製造LED的MOCVD設備受到Axitron與Veeco大廠牽制，開始投入MOCVD設備自製，在強烈的民族意識驅動下，韓國企業普遍願意提供效能尚無法與歐美日大廠匹配的國產設備驗證機會，並給予改善意見，促成韓國MOCVD設備國產化。
綜觀中、韓MOCVD發展均歷經十年以上才有整機應用於產線的實績，開發過程除了需要仰賴 …以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。