他們,是台灣半導體「關鍵螺絲釘」!
專題故事

半導體的材料設備,從電子氣體、靶材、化學品,到矽晶圓、光罩、光阻,若拆開來看,每一項都像是小螺絲釘。但,台灣能缺乏這些「關鍵小角色」嗎?

1 5G、電動車都要的材料!同時生產碳化矽、氮化鎵,全台只有它做得到

蔡仁譯攝影
嘉晶是台灣唯一能量產4吋、6吋碳化矽磊晶及6吋氮化鎵磊晶的公司,品質也獲得國際IDM大廠認可,除了專利技術,他們如何區隔出與同業的差異,形成競爭優勢?

從手機到電動車都需要用到的碳化矽(SiC),可以說是邁入5G時代的重要半導體材料。

大致來說,半導體材料可分為3個階段:第一階段是矽(Si)元素等基礎材料;第二階段是砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等化合物半導體材料;最新的第三代半導體材料,則以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬頻化合物半導體材料為代表。

碳化矽具有耐高溫、耐高壓的特點,應用範圍包括智慧電網、不斷電系統、電源供應器以及新能源車領域。 電動車大廠特斯拉(Tesla)就在Model 3車款的逆變器中,採用SiC MOSFET(金屬氧化半導體場效電晶體)元件;氮化鎵應用的領域則包括手機、電動車、 5G 基地台等。

成立於1998年的嘉晶,主要負責研究、開發、生產製造及銷售矽、碳化矽、氮化鎵等磊晶材料,由於嘉晶是國內唯一一家可以同時提供碳化矽,以及氮化鎵磊晶代工服務的廠商,隨著5G、電動車時代的到來,嘉晶在材料領域占有關鍵優勢。

嘉晶是台灣唯一可同時生產碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)的廠商,可以針對客戶對於元件不同特性需求,客製生產方式與製程條件,打造一站式服務。圖為嘉晶矽磊晶產品。
嘉晶提供

優勢1〉就近服務,占有產業關鍵優勢

嘉晶為何有本事成為國內唯一?主因是碳化矽、氮化鎵這兩款新材料的生產不易,嘉晶電子董事長徐建華從兩方面來解釋:其一,製造碳化矽晶圓的原料,大多需要從國外少數供應商進口,且製造成本偏高。

其二,技術難度也是一大挑戰。以氮化鎵為例,在製程上,必須將氮化鎵磊晶長在矽晶圓基板上,由於兩者的晶格不同,製作過程中容易翹曲破片,矽晶圓基板也有規格要求,導致整體量產難度高。

在半導體產業中,磊晶屬於材料部分,有耐高溫、耐高壓的特性,晶圓(Wafer)在製作過程中,有些IC設計公司及IDM(垂直整合製造)廠商的產品,需要用到有磊晶的晶圓,就會希望有業者協助備妥基板(substrate)和磊晶,嘉晶就是瞄準這些客群。

嘉晶董事長徐建華分析,磊晶有其特殊性,不容易用標準化方式生產,正因為嘉晶握有磊晶專利技術,得以創造與同業差異。
蔡仁譯攝影

目前,嘉晶是台灣唯一有能力量產4吋、6吋碳化矽磊晶及6吋氮化鎵磊晶的公司,擁有磊晶專利技術,品質也獲得國際IDM大廠認可。

徐建華表示,嘉晶在矽磊晶的業務整體主要分為兩大部分。第一部分是提供晶圓代工廠的協力業務,占比約2成,主要是晶圓在代工廠內進行部分流程後,送至嘉晶進行磊晶製程,再返回晶圓代工廠完成後續流程。在製造時效考量下,嘉晶有地域優勢,可就近服務台灣的晶圓代工廠商。

隨著台灣晶圓代工的成長,徐建華認為,這項業務將會持續成長,而且有了技術及效率上的優勢,「外來的競爭者不容易跟我們競爭。」與此同時,嘉晶也完成超接面(Super Junction)金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)多層次或埋藏層製程磊晶出貨,不斷增加自身產品的附加價值。

優勢2〉產品客製,奪得新材料市場先機

另一項占了嘉晶矽磊晶業務約6~7成業績的「標準型」業務,是直接買進晶圓,做一層磊晶在上面,再把磊晶和基板一起賣出。這部分,嘉晶主要是針對中小型的設計公司及IDM公司,提供客製化的規格與製程。

除此之外,嘉晶也會針對中小型的IDM,提供特殊的規格與製程。

之所以鎖定中小型設計公司及IDM客戶,是因為部分廠商因為規模不夠大,採購材料時議價能力較弱,「嘉晶可以集合這些客戶需求,一起跟基板廠商購買原料。」

磊晶有它的特殊性,不容易完全標準化來做。
嘉晶電子董事長徐建華

嘉晶手握磊晶專利技術,加上可以針對客戶對元件特性的不同需求,客製生產方式與製程條件,因而區隔出與同業的差異,形成競爭優勢。

疫情使得遠距工作成為全球職場的新常態,帶動筆電、平板銷售大增,iPhone 12的推出也讓5G需求攀升。其中,5G手機因為搭配大容量電池,氮化鎵快充裝置需求增加,包括三星、小米、聯想、OPPO、華為等大廠,都已採用氮化鎵快充方案。

由於布局得早,嘉晶和集團內夥伴公司漢磊科合作的碳化矽及氮化鎵供應鏈,目前已經進入量產,並持續與多家設計公司及IDM大廠合作,也是嘉晶能持續成長、迎來新商機的重要關鍵。

嘉晶手握磊晶專利技術,加上可以針對客戶對元件特性的不同需求,客製生產方式與製程條件,因而區隔出與同業的差異,形成競爭優勢。
蔡仁譯攝影

嘉晶

成立時間:1998年
董事長:徐建華
總經理:孫慶宗
近期財報:2020年第3季營收30億元,年增7.97%
關鍵技術:擁有磊晶專利技術,可量產4吋、6吋碳化矽磊晶,及6吋氮化鎵磊晶

本文出自數位時代319期12月號《解析台灣半導體奇蹟!》封面故事
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責任編輯:林美欣、張庭銉

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2 先進製程關鍵拼圖!意德士「真空吸盤」,幫半導體大客戶穩住良率

蔡仁譯攝影
意德士以關鍵「吸盤」提高曝光製程良率,獲全球最大晶圓代工廠採用,更是唯一提供「半導體用全氟密封材」的台灣本土企業,他們究竟如何做到的?

即使是半導體設備巨人,也無法在跨步前進時,所向披靡地清除所有路障。巨人辦不到的事,正是台灣零組件供應鏈的關鍵成長機會。

艾司摩爾(ASML)是荷蘭半導體設備大廠,2019年產品銷售額排全球第二高,其中最知名的產品EUV光刻機(極紫外光曝光機,lithography machine)擁有8成市占率,一台機器動輒新台幣30億元,是研發7奈米以下先進製程的必備產品。

今年8月,艾司摩爾宣布在台南成立全球技術培訓中心,台積電晶圓廠營運副總經理王英郎致詞時點出:「有了它(EUV),才能讓相同尺寸的晶片放入更多電晶體,從1億顆成長到100億顆。」

硬體評論網站AnandTech認為,光台積電可能就安裝了全球過半EUV光刻機。再從艾司摩爾年報看,去年銷售額有51%都賣給台灣業者,全年EUV出貨26台,推估台積電約占20台,顯示雙方緊密關係。

「一間公司再怎麼強,也不會什麼都做。」意德士科技董事長闕聖哲形容,艾司摩爾就像賓士原廠,能打造頂級S-Class車款,卻沒有自己生產輪胎。而意德士就像專門生產輪胎的企業,能滿足半導體企業客製需求,讓他們開車速度更快。

極紫外光(EUV)微影技術是近年不斷提到的微影製程名稱,也是現今能在晶片上畫出最精密線路的光罩技術。
ASML

跑在原廠ASML前頭,填補「關鍵缺口」

闕聖哲口中的獨門輪胎,指的是半導體曝光製程中常用的「真空吸盤」,原先只是用來固定矽晶圓。

2009年,某晶圓代工大客戶發現光刻機不夠精準、影響良率,當時光刻機供應商Nikon、Canon、艾司摩爾都無法解決問題,便找上意德士想辦法。

意德士以演算法模擬出真空吸盤的最佳「曲度」,提高了晶圓曝光中的良率,雙方也一路自10奈米製程合作到3奈米製程。

闕聖哲指出,隨著每一代半導體製程往前突破,光刻機還是必須將光源準確打在愈來愈小的線徑上,不能因為光線的物理特性有所偏移。而既然「打光」設備有技術天花板,客戶只好將腦筋動到固定晶圓的吸盤底座上。

台灣半導體零組件業者的絕佳機會,就是去填補設備原廠無法滿足的缺口。
意德士董事長闕聖哲

闕聖哲解釋,像艾司摩爾這樣的設備巨人,在全球賣機台時,著重的是產品標準化、規格化帶來的高毛利,就算是最大客戶,也很難為它們客製化研發小零件。「要專注開發要價30億元的曝光機,還是把精力移到約1,000萬元的真空吸盤上,這並不難選。」

抓到機會、與艾司摩爾共同成為大客戶「唯二」的真空吸盤供應商後,意德士並未因此停下腳步。

最強「副廠」助陣,台灣業者聯手打群架

有別於其他產業,晶圓先進製程的研發特性是,由代工的零組件業者,拿著現有設備去做下一世代開發,遇到各種問題後累積數據,再回頭修改、重新打造關鍵零組件。因此,能滿足客戶需求、共同成長的零組件業者,往往能獲得比較高的毛利。

前提是,零組件業者得願意投入大量研發資源,也要熬得住動輒一、兩年的開發時間。

「如果只做成熟製程的商品,客戶要節省成本時,就只得降價。」為提高獲利,闕聖哲經常告訴同仁:「要伸出手抓住客戶,幫客戶解決問題的同時,即使走的是利基市場道路,同樣有機會成為老大。」

事實上,意德士不只有曝光製程專用的真空吸盤,同時也代理銷售、維修蝕刻、薄膜製程使用的靜電吸盤。以數量來看,後者需求遠大於前者;但如果比較產品毛利率,前者較後者高下立判。

此外,意德士還有另一項營收主力產品「全氟密封材」(FFKM Oring)。這項產品是跟日本大金工業進口全氟材料,再運用自己設計的配方,生產開發耐高腐蝕電漿材料、耐臭氧電漿材料,應用在半導體的蝕刻、擴散、薄膜等製程。

闕聖哲綜合觀察,半導體零組件設備業者共有三種生存之道:一是成為原廠,直接賣設備、提供保固,但這多半只有巨人做得到;二是提供與原廠相同材質與功效的「民間副廠」產品;三則要能端出便宜又好的同級品。

隨著半導體產業一片榮景,他強調,未來5年內,台灣半導體零組件業者的考驗,「不是成為合格供應商,而是能否協助推動本土代工與封測領導業者前進」,讓自己成為「高價值夥伴」。

意德士董事長闕聖哲認為,台灣半導體設備、材料業者不能只滿足於「成為大廠合格供應商」,要想辦法陪客戶往前跑。
王郁倫攝影

意德士
成立時間:1999年
董事長暨總經理:闕聖哲
近期財報:2020年第3季營收1.02億元,年增1.62%。
關鍵技術:半導體曝光(黃光/微影)製程真空吸盤。

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責任編輯:張庭銉

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3 全球IC導線架市占第二!長華科技預測未來30年需求:100%死不掉

賀大新攝影
從代理IC導線架到併購導線廠,長華一路自LED低谷轉進IC導線架領域,董事長黃嘉能更看準5G、AI時代來臨,展望IC未來30年。

導線架是晶片與印刷電路板(PCB)線路之間的連接媒介,具導電功能,是封裝過程的必備材料。全球IC(積體電路)導線架年產值約35億美元,其中長華科技市占17%,以營收來看,是世界第二大供應商。

憑藉著2013年開始洽談的一次關鍵併購案,使得曾面臨「再虧下去就要收掉」的長華科技,在半導體的產業鏈上,自此站穩導線架的領先地位。

我們做的東西不是很高階,但是你一開門,就會需要我。
長華集團董事長黃嘉能

「再虧就要收掉」,一步走出LED市場低谷

長華科技的母公司長華集團成立於1989年,主要業務是代理半導體封裝材料、設備。在台灣半導體發展史上,長華集團也起了重要作用。1995年,「日月光第一次營收破百億,那一年,日月光足足付了28億的材料費給長華。」長華集團董事長黃嘉能回憶。

當年,導線架一度大缺貨,由於長華代理日本住友的導線架,手中握有全球4~6成的料源,便在激烈競爭中勝出。

2010年,長華集團思考在代理業務之外另尋出路,加上看好LED市場,旗下便成立長華科技,投入LED導線架的生產製造。

2010年,因為看好LED市場,長華集團投入LED導線架的生產製造,但起步不久,「LED市場就掛了,我們買了2億多元的設備,還沒開封就報廢,幾乎全賠光了。」長華集團董事長黃嘉能回憶。
賀大新攝影

然而,時隔兩年,韓國LED產業崛起、中國過度擴充LED磊晶機台,造成全球市場供過於求,相關零組件價格被愈壓愈低。「公司成立不久,LED市場就掛了,我們買了2億多元的設備,還沒開封就報廢,幾乎全賠光了。」

眼看前景黯淡,黃嘉能心想:如果連虧3年,就收掉長華科技。沒想到2013年出現轉折,日本半導體產業開始走下坡,「住友的大老闆來找我,問我導線架(產線)想不想買?我就說,光想就流口水了!」

於是,長華集團和長華科技共同出資,併購住友旗下IC導線廠,長華科技自此正式由LED轉進IC領域,IC導線架市占直接空降世界第四大,廠區也開展至日本、中國、馬來西亞,橫跨4國。

2016年,曾在存亡之間掙扎的長華科技順利上櫃,如今,IC導線架的業務占比更已高達90%。
長華科技

2016年,曾在存亡之間掙扎的長華科技順利上櫃;如今,IC導線架的業務占比更已高達90%。

另外兩大導線架廠商分別為三井高科技與新光電器,皆為日商。由於日本製造人力成本較高,加上三井高科技與新光電器皆有其他半導體封裝材料產品,因此在導線架的技術優化工作上著墨較少。

但長華科技把導線架生產視為主力,花更多心力提升製程效率與工廠管理,努力降低成本、提升獲利,去年成功把市占衝到全球第二。

展望IC未來30年,「需求只會更多」

5G、AI(人工智慧)時代來臨,科技產品的選項愈來愈多元,IC需求也會隨之增加。而只要IC封裝基本架構不變,無論終端應用的流行如何變動,對於導線架的需求就不會減少、只會增加。

我們不是賣咖啡、也不是賣茶,我們賣的是杯子!」黃嘉能解釋,無論是記憶體IC、邏輯IC還是電源管理IC,都會需要導線架來做為導電媒介。「至少30年內絕對用得到,100%死不掉。」

以小放大來看,「如果導線架可以往前看到30年,台灣半導體就可以看到未來60年。」談及台灣整體半導體產業未來的發展,黃嘉能認為,台灣掌握了重要的晶圓代工產業,若不談韓國的記憶體產能,台灣的半導體生態鏈幾乎是全球最強。

黃嘉能看好未來車用IC市場,打算跨入高功率產品,拚導線架市占第一。
賀大新攝影

至於長華科技下一步還要往哪裡布局?

黃嘉能透露,當年併購住友時,並沒有買下生產車用高功率導線架廠;而這一塊市場,預估年產值高達500萬美元。

不過,自從2013年併購住友部分產線至今,長華科技透過往來合作的IDM(垂直整合製造)廠商,觀察到市場對於高功率導線架的需求,「我們現在要想辦法把它買過來。」

「其實我也可以自己蓋(產線),只是買進來會更快。」看好未來車用IC的需求將不斷成長,長華科技試圖再度透過併購,迅速補足高功率導線架的產品缺口。

「以營業額來看,快則2021年、慢則2022年,我們就會是全世界做最大的;2024年,我們就要達到世界市占30%。」黃嘉能期許。

長華科技
成立時間:2010年
董事長:黃嘉能
總經理:洪全成
近期財報:2020年第3季營收24億元,年減3%。
關鍵技術:掌握aQFN導線架的獨家技術。

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責任編輯:郭昱彣、張庭銉

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4 強化台灣IC在地供應鏈!永光化學獨創光阻劑配方,抵抗日本大軍搶單潮

侯俊偉攝影
「光阻劑」是縮短曝光波長必備的電子化學品之一,尤以日本大廠競爭最激烈,而永光化學發揮優勢滿足客戶需求,成IC製程全台唯一G&I-Line光阻劑供應商。

喜歡喝調酒嗎?對饕客來說,調酒最大魅力莫過於高度客製化,打造專屬於你的飲品。在半導體產業中,優秀的化學品業者就像是調酒師,不斷研發、測試,同時考量顧客製程條件、設備差異等因素,最終端出實際用於IC產業鏈的產品配方。

永光化學,正是台灣少數能提供IC前(製造)、後段(封裝測試)製程化學品的好手。

創立於1970年代,永光化學早期業務以紡織、皮革染料為核心,逐步發展出特用化學品(如抗氧化劑、紫外線吸收劑)、醫藥化學(如前列腺素原料藥)與電子化學品事業。

從營運面來看,永光化學2019年合併營收93.3億元,電子化學品約貢獻12%,數字不算高,產品線卻相當多元,可提供IC、LCD(液晶顯示器)、LED(發光二極體)、TP(觸控式面板)產業所需的光阻劑、顯影液、研磨液及濕式製程化學品。

其中,光阻劑是永光化學投入20年努力研發的關鍵產品

經濟部技術處指出,由於半導體需求朝微型化、多樣化發展,製程端為使IC電路有更高密度布局,以減小產品體積,必須不斷縮短曝光波長來提高解析度;光阻劑即是微影製程中最重要角色之一。

簡單說,IC生產製程無論先進與否,都要經過曝光,過程中要先在晶圓上塗抹不同特性的光阻劑,才能透過光源照射,讓電路圖形成於晶圓表面,概念上有點接近於「拓印」。

「我會形容自己是一間配方公司。」

永光化學總經理陳偉望笑說,自家電子化學品出貨量不拚廣,專注於核心技術開發,甚至有獨創的利基型產品。

此外,永光也開始將重心拓展到IC封裝業者與新一代材料碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)帶來的功率半導體商機上。

永光化學總經理陳偉望說,半導體發展史隨每一世代改變,領頭化學公司幾乎不同,現有優勢並不能保證持續領先。
侯俊偉攝影

掌握產業脈動,打出利基戰略

市調機構富士經濟(Fuji Keizai)指出,2019~2024年間,光阻劑市場將成長60%,規模達2,500億日圓,其中八成市占率掌握在日本業者手中。

永光化學電化事業副總經理林昭文解釋,製造光阻劑至少需要過三關:第一,要了解客戶晶圓設計方式,從尺寸4吋、6吋、8吋,到晶圓厚度多寡、乾燥方式都有影響; 第二,要了解曝光系統,長期測試後才知道光阻劑是否有效顯影,並呈現顧客要求的形狀 ;第三,要克服製程差異化,例如電鍍、離子植入,都會對化學反應帶來影響。

對永光而言,第二點是眼前最大的考驗,因為要做到這點,光阻劑業者必須購買要價不斐的設備。

工研院產科國際所指出,曝光光源可區分為紫外線(UV)、深紫外線(Deep UV;DUV)和極紫外線(Extreme UV;EUV)。生產7奈米或更先進製程產品,不只需要EUV光刻機,還需搭配EUV專屬光阻劑。

紫外光(UV)光源因波長短,除了用在螢光、食物殺菌和偽鈔辨識等日常應用之外,也是半導體製程的重要元素之一。圖片為紫外光燈下裝水的玻璃杯。
wikimedia

在台積電2019年報列出的光阻劑供應商們,有3家已經或正計畫投入最高階EUV光阻劑供應,皆為日本業者,包括領導品牌東京應化工業、信越化學(打算來台生產)及住友化學(預計明年投入開發)。

面對日本化學大廠技術領先、甚至積極來台設廠搶單,陳偉望坦言,永光即使全力投入EUV領域,都不見得可獲得客戶青睞,「光是曝光機就要新台幣30億元,更何況日本業者投入早,無論設備攤提、配方測試都已經跑在前頭。」

因此,永光另闢蹊徑,持續耕耘成熟IC製程的同時,也以更靈活、多元方式與業者合作。例如,指標客戶為維持競爭力,會自行研發專利化學品配方,交由永光代工生產;或客戶規畫好下一代製程設計時,由永光與設備業者共同測試化學品規格。

以產品技術面來說,封裝無需追求微影解析度變好,而是要配合終端產品屬性,提供多樣變化,這是我們強項。
永光化學總經理陳偉望

面對中美科技冷戰,陳偉望認為,相較半導體前端製程業者已經意識到地緣政治的脆弱、在地供應鏈非做不可,後端業者還在觀望。

儘管現階段的產業氛圍,還是比較信賴掌握原料的外商,他相信化學品台廠只要能提供高度客製化的服務、彈性調度產能,重要性就會與日俱增。「畢竟國門是可能會關起來的,若兩個總統一言不合,對方說不賣你就不賣你,又該怎麼辦?」

永光化學

成立時間:1972年
董事長:陳建信
總經理:陳偉望
近期財報:2020年第3季營收18.6億元,年減20.3%
關鍵技術:I-LINE、G-LINE正負型光阻;高膜厚、高解析的化學增幅型光阻;高精密感光顯影型材料——感光聚醯亞胺(PSPI)。

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