扭轉半導體製程關鍵技術：超音波輔助碳化矽（SiC）陶瓷研磨加工

2023年11月23日

碳化矽（SiC）的材料特性與半導體製程常見應用

碳化矽（SiC）陶瓷材料特性

(圖1. 漢鼎超音波輔助加工碳化矽材料, 包括碳化矽軸封.碳化矽微鑽孔及碳化矽螺旋擴孔研磨件)

碳化矽（SiC）陶瓷近年來因第三代化合物半導體和電動車應用的迅速崛起，而成為產業熱門討論的先進材料。以下是碳化矽陶瓷的一些典型材料性質：

－高硬度與絕佳機械強度－

碳化矽（SiC）陶瓷材料的莫氏硬度等級為9，僅次於金剛石（鑽石）及碳化硼。高硬度使碳化矽具有很高的耐磨性以及絕佳的機械強度。因此，這也使得碳化矽成為高精度機械零件的理想材料，能夠承受機械負載和應力。

－良好的熱導性和穩定性－

碳化矽（SiC）具有非常高的熔點（約2,700°C或4,892°F），而且可承受溫度冷熱衝擊（thermal shock）。這樣的材料特性使碳化矽即使在高溫且易氧化、易腐蝕的環境中，仍可保持其結構的穩定性。碳化矽材料良好的熱導性，也讓它成為一種有效的熱導體。

－良好的導電性－

碳化矽（SiC）可以是半導體，也可以是導體，主要取決於其晶體結構。身為寬能隙半導體（Wide Bandgap，WBG）材料之一的碳化矽對於高功率元件的製作與發展極其重要。（閱讀更多：What Are Wide Bandgap Power Supplies?＜何謂寬能隙電能供應？＞）

簡單來說，半導體材料的能帶間隙（能隙，Band Gap）代表可將低能帶區的電子搬遷到高能帶區能量。多年來我們所熟知的第一代半導體材料矽（Si）的能隙為1.12eV，已在生活中廣泛地使用，但低能隙材料在溫度、頻率及功率皆有限制，再加上近年因地球暖化與碳排放衍生的問題日趨嚴重，節能減碳也成為共同發展的目標。因此高能效、低能耗的第三代寬能隙半導體也就在此背景下孕育而生。

💡 了解更多 Silicon Carbide (SiC) Properties and Applications＜碳化矽材料特性與應用＞

碳化矽（SiC）陶瓷材料在半導體晶圓製程的常見應用

碳化矽（SiC）在半導體晶圓製程反應腔體中，有著非常廣泛的應用，作為許多關鍵零組件（如：陶瓷基板、載盤、噴嘴等）的材料。其中一些較常見的關鍵零件包括：

－碳化矽（SiC）陶瓷基板（Substrates）與晶圓承載盤（Wafer Susceptors）－

半導體元件製造的過程中，碳化矽（SiC）基板作為其他半導體材料，如砷化鎵（gallium nitride，GaN）磊晶成長（epitaxial growth）的基礎。（閱讀更多：Silicon Carbide Substrates for Power Electronics＜碳化矽基板在電力電子元件的應用＞）磊晶成長是一種在原有的晶片上長出新結晶，以製成新半導體層的技術，而碳化矽基板對於高效、高頻電子元件的製作，也佔有相當程度的重要性。

(圖2. 用於MOCVD磊晶成長製程的碳化矽晶圓承載盤 - 圖片來源: AIXTRON Group)

碳化矽晶圓承載盤使用於化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）以及有機金屬化學氣相沉積（metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD）製程中，幫助在基板上成長半導體薄膜（thin films）的晶圓載盤。（閱讀更多：How MOCVD Works＜知識大圖解MOCVD製程＞）碳化矽載盤因其材料特性，可在高溫且易腐蝕的環境中，幫助半導體薄膜及磊晶層（epitaxial layers）的成長。

－碳化矽（SiC）蝕刻腔體（Etch Chambers）及Showerhead零件－

碳化矽材料也經常用來製作半導體製程，包含濕蝕刻（wet etching）、電漿蝕刻（plasma etching）與化學氣相沉積的反應室腔體，以及反應室腔體中的關鍵零組件（如：碳化矽showerheads）。（閱讀更多：漢鼎超音波輔助碳化矽材料微鑽孔加工，應用於半導體製程showerhead零件）碳化矽的在高溫下的穩定性以及耐腐蝕特性，使其成為上述應用中的理想材料。

(圖3. 漢鼎超音波輔助碳化矽微鑽孔加工, 應用於半導體製程零件showerhead)

－碳化矽（SiC）軸承（Bearings）與軸封（Seals）－

在半導體製程設備中，因碳化矽材料的耐磨性、高溫穩定性以及化學惰性，經常使用碳化矽的軸承與軸封等零件。（閱讀更多：漢鼎超音波輔助碳化矽材料銑削加工，應用於機械軸封零件）這些材料特性使得碳化矽軸承與軸封零件可維持良好的結構穩定性在半導體製程反應腔室以及真空環境中。

－碳化矽（SiC）陶瓷噴嘴（Nozzles）與襯套（Liners/Bushings）－

碳化矽陶瓷噴嘴與襯套被廣泛應用在充滿強烈腐蝕性化學物質的半導體電漿蝕刻以及濕蝕刻製程中。（閱讀更多：What is Plasma Etching and why it is Important for Product Development?＜何謂電漿蝕刻及其對於產品發展的重要性＞）碳化矽的耐化學性以及高溫下的穩定性，在此應用中佔有極大的優勢。

碳化矽（SiC）陶瓷研磨加工磨削機制

在初期磨削階段時，磨棒上的磨粒開始鑿入碳化矽工件表面，產生溝槽及刮痕。主要是因為磨粒接觸到工件，受力後所產生，方便後續材料移除。

(圖4. 漢鼎超音波輔助碳化矽平面研磨加工, 應用於半導體MOCVD製程晶圓承載盤)

磨削持續進行後，磨棒上的磨粒逐漸進入碳化矽工件。此階段主要為大量材料移除，並將材料磨削至目標形狀與表面狀態。有一些碳化矽材料會在磨削過程中，因承受過大的磨削阻力而產生脆裂。這樣在碳化矽材料上微小脆裂的形成可以幫助材料的移除。

💡 了解更多 Grinding characteristics, material removal and damage formation mechanisms in high removal rate grinding of silicon carbide＜在高材料移除率之碳化矽研磨加工中的磨削特性、材料移除以及脆裂形貌＞

碳化矽（SiC）陶瓷研磨加工困難點

因碳化矽獨特的材料與機械特性，針對碳化矽材料的研磨加工可能面臨到許多挑戰，這些加工難點包括：

硬脆性材料

碳化矽（SiC）陶瓷材料的莫氏硬度等級為9，僅次於金剛石（鑽石）及碳化硼。這樣的高硬度容易導致在研磨加工時，磨棒鈍化速度變快且磨耗量變大，而造成過大的磨削阻力。碳化矽也是易脆材料，因此在磨削過程中，很容易因磨削阻力過大而產生邊角脆裂或次表面裂紋，嚴重影響工件品質。

高摩擦與磨削阻力

研磨加工過程中，磨棒與碳化矽工件的摩擦力增加，主要因為碳化矽陶瓷粉塵（材料磨削後的粉塵碎屑）大量填塞在磨棒上磨粒之間的氣孔。若無法順利排除這些粉塵，粉塵大量填塞磨棒的氣孔，磨棒上的磨粒會迅速流失磨削力，進而導致磨削阻力的增加。

刀具磨耗與修銳

在碳化矽研磨加工過程中，陶瓷粉塵容易大量填塞至磨棒氣孔，導致磨棒加速鈍化，喪失磨削力，因此，刀具更換成本一直都是碳化矽研磨加工業者的一大痛點。若是選用金屬法、陶瓷法磨棒，可透過修銳（Dressing）的方式，將填塞在磨棒氣孔的粉塵削去，使磨粒銳角能露出，再產生其研磨的能力。然而，經常性的修銳，除了非常耗時之外，磨棒也會在修銳的過程中，產生額外的磨耗，加速減短刀具的壽命。

漢鼎超音波加工能為碳化矽（SiC）陶瓷研磨加工帶來哪些助益呢？

超音波的高頻率微振動

(圖5. 漢鼎超音波輔助加工技術, 提供刀具縱向的高頻率微振動, 幫助排除切屑)

漢鼎的超音波輔助加工技術提供刀具每秒超過20,000次的縱向（Z軸方向）的高頻率微振動，使刀具在加工過程中，間接性地接觸工件。這樣的輔助切削機制應用在研磨加工上，可有效降低磨削阻力，並幫助順利排除陶瓷粉塵，避免填塞磨棒。

良好的陶瓷粉塵排除機制

超音波的縱向高頻微振動幫助排除陶瓷粉塵，可以減少磨棒因填塞大量粉塵而造成與工件之間的摩擦。若磨粒間的氣孔被大量陶瓷粉塵包圍、填塞，磨棒會加速失去研磨能力。

(圖6. 研磨加工使用之磨棒/砂輪的自修銳機制示意圖 - 圖片來源: Testbook Edu Solutions Pvt. Ltd.)

超音波的輔助磨削機制，減緩陶瓷粉塵填塞磨棒的速度，促使磨棒觸發自修銳（self-sharpening：磨粒鈍化後，受力增加，舊磨粒脫落，使新鑽露出）機制，磨棒得以恢復研磨能力繼續加工。這樣的機制可以大幅降低刀具修銳的工時，以及修銳造成的刀具磨耗，有效減少時間及刀具更換成本。

降低磨削阻力

超音波輔助研磨加工的機制，使得碳化矽陶瓷粉塵可以在研磨加工過程中，順利的排除，改善大量陶瓷粉塵填塞磨棒的狀況，使磨棒不會因磨削力下降而受力增加，藉此避免磨削阻力的增加。磨削阻力的降低，除了可以減少刀具與工件的摩擦，也給予切削線速度（cutting speed）與進給率（feed rate）往上提升的空間。

💡 了解更多 Self-sharpening tendency of a conventional grinding wheel depends upon＜傳統研磨砂輪在磨削時觸發的自修銳機制＞

漢鼎超音波輔助研磨加工碳化矽（SiC）陶瓷之優勢

漢鼎的超音波高頻率微振動輔助加工模組產品，提供了一個改善先進材料加工製程的解決方案。針對碳化矽陶瓷的研磨加工，漢鼎超音波輔助研磨加工技術，幫助有效排除陶瓷粉塵，避免大量粉塵填塞磨棒，藉此降低磨削阻力。這樣的輔助磨削機制，針對碳化矽研磨加工，可縮短加工時間（去除／減少刀具修銳次數）、更好的工件品質（減少脆裂邊、刀痕，改善表面粗糙度），並延長刀具壽命（去除／減少刀具修銳所產生的磨耗，避免大量陶瓷粉塵填塞）。

超音波輔助碳化矽（SiC）陶瓷研磨加工成功案例分享

碳化矽（SiC）陶瓷：平面研磨加工

(圖7. 漢鼎超音波輔助碳化矽平面研磨加工)

漢鼎針對碳化矽陶瓷材料進行平面研磨（降面）加工。使用漢鼎BT-30超音波加工模組，超音波的高頻率微振動幫助順利排除陶瓷粉塵，有效避免大量粉塵填塞磨棒氣孔。

(圖8. 漢鼎超音波輔助碳化矽平面研磨加工: 有/無超音波之工件品質比較)

磨削阻力的降低，幫助減少工件邊角脆裂，刀具加工時受力均勻，在工件表面上呈現大小一致的刀痕紋路。

(圖9. 漢鼎超音波輔助碳化矽平面研磨加工: 有/無超音波之刀具積屑狀況比較)

超音波輔助研磨加工，順利排除陶瓷粉塵，觸發磨棒自修銳機制，使新鑽露出，恢復磨削力。因此加工過程中，無須進行刀具修銳，避免刀具因修銳產生的磨耗。

💡 了解更多碳化矽（SiC）：平面研磨加工

碳化矽（SiC）陶瓷：螺旋擴孔研磨加工

(圖10. 漢鼎超音波輔助碳化矽螺旋擴孔研磨加工)

漢鼎針對碳化矽陶瓷材料進行螺旋擴孔研磨加工。使用漢鼎BT-30超音波加工模組，超音波的高頻率微振動幫助順利排除陶瓷粉塵，避免大量粉塵填塞磨棒，有效降低磨削阻力，藉此改善表面品質與刀痕。

(圖11. 漢鼎超音波輔助碳化矽螺旋擴孔研磨加工: 有/無超音波之工件表面品質比較)

超音波輔助磨削加工機制，粗磨製程即可改善表面粗糙度（surface roughness，Sa）與刀痕，減少後續製程處理時間，提升整體加工效率。

(圖12. 漢鼎超音波輔助碳化矽螺旋擴孔研磨加工: 有/無超音波之刀具積屑狀況比較)

良好的陶瓷粉塵排除機制，幫助降低磨削阻力，除了減少刀具磨耗，也帶來更好的工件表面品質。

💡 了解更多碳化矽（SiC）：螺旋擴孔研磨加工

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碳化矽（SiC）陶瓷研磨加工常見問題

Q1 針對碳化矽研磨加工，漢鼎超音波的高頻微振動如何做到減少工件脆裂邊？

A1 超音波的高頻率微振動，帶來更好的陶瓷粉塵排除機制，藉此降低磨削阻力。此外，超音波的振幅（oscillation amplitude）非常微小，目的在於製造碳化矽材料內部分子鏈結脆裂，進而幫助材料的移除。

在碳化矽材料工件上留下嚴重的脆裂邊，通常源自於機台本身在加工過程中所產生的振動。這不僅會影響到加工特徵的精度，也會損壞工件的表面品質。

💡 了解更多漢鼎超音波輔助加工技術

Q2 欲使用漢鼎超音波加工模組進行碳化矽材料的研磨加工時，如何適當地調整進給率、切削線速度、超音波功率等加工參數呢？

A2 漢鼎智慧科技為提供先進材料加工製程技術與智慧自動化模組之供應商，目標不僅是提供客戶高品質的超音波輔助加工模組產品，更是提供相關的專業知識，幫助客戶在使用產品時，能將超音波輔助加工技術所帶來的效益做最大化的呈現。

這包括＊提供整合超音波製程後優化的加工參數（依據目標加工材料與特徵）以及相關對應之服務，來幫助客戶獲得漢鼎超音波加工模組產品的最佳使用體驗。藉此讓客戶了解到，不僅是向漢鼎購買一項產品，更重要的是彼此合作間知識、技術的分享與交流。

⚠️＊關於「提供優化後的加工參數」，經細節洽談後，可能需要支付額外費用。

(圖13. 漢鼎超音波輔助加工模組系列產品)

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*參考資料