中國砸 10 兆人民幣發展第三代半導體,台灣競爭有壓力也有利基

作者 Atkinson | 發布日期 2021 年 09 月 23 日 9:30

近幾年,在美中關係緊張,貿易衝突增溫的情況下,中國受到美國在技術上的限制,於第一、二代半導體的發發展上遭遇瓶頸,這也成為中國半導體產業發展上永遠的痛。不過,隨著電動車市場與產品快速的發展,以氮化鎵 (GaN) 與碳化矽 (SiC) 為主要元素的第三代半導體的需求跟著大幅提升,甚至成為未來半導體產業發展的主流之一。中國在市場與技術都有著發展機會的情況下,預計在政策的帶領下全力進行投資與輔助第三代半導體的進步。而中國的大動作,對於向來在第一、二代半導體半導體全球市場有著領導地位的台灣來說,自然有其威脅性的存在。而對於台灣在第三代半導體產業的發展,廠商指出有優勢、也有壓力。其中,政府的態度與廠商能否延續先前的技術優勢,將會是其重要關鍵。

中國半導體產業卡脖子,欲藉第三代半導體翻身

有別於先前第一、二代半導體的材料分別主要為矽 (Si)、砷化鎵 (GaAs),在第三代半導體的材料則是以碳化矽 (SiC) 與氮化鎵 (GaN) 為主,其所製成晶片可被廣泛用於新一代通訊、軍用雷達和電動車等熱門新興產業上。而因為中國先前在第一、二代半導體技術在國際市場上落後,再加上近來因為美中的關係緊張,美國以限制技術出口制裁中國相關半導體企業使中國在第一、二代半導體發展屢屢受到影響。

反觀目前第三代半導體相關技術發展,根據以半導體材料分析為主要營業項目的汎銓科技技術長陳榮欽表示,第三代半導體製程技術不再必須像第一、二代半導體那樣先進,僅採用一般成熟製程就足以應付。就目前來說,即使意法半導體已經開發出 8 吋晶圓生產技術,但當前主流仍是以 6 吋廠為主,這使得在技術上中國不需要再仰賴進口,中國本身的企業在相關半導體設備的研發上就足以支應。再者,第三代半導體未來在中國市場預計胃納量龐大,更是吸引各家企業投入發展。

根據中國「第三代半導體產業技術創新戰略聯盟 (CASA)」在 2021 年 6 月所發表的「第三代半導體產業發展報告 2020」白皮書顯示,2020 年中國第三代半導體整體產值超過 7,100 億人民幣(約新台幣 3 兆元)。另外,根據工研院產業科技國際策略發展所估計,2020 年全球化合物半導體產值超過 1,000 億美元,占整體半導體產值約 18.6%,預估 2025 年將成長到 1,780 億美元。其中,在看準商機下,中國包括中芯國際、韋爾股份、卓勝微、天科合達、同光晶體、泰科天潤、三安光電、英諾賽科等紛紛進擴產,顯示中國企業對第三代半導體發展的期待。

第三代半導體仰賴成熟技術,大規模投資提高量產速度為關鍵

除此之外,現在未有國家在第三代技術占主導地位,而且相較於第一、二代半導體那樣必須累計過去的相關研發與製造技術才能持續進展的情況,若要全力衝刺第三代半導體,企業必須更加重視資金的投資以進行量產與技術的發展。

以碳化矽 PVT 長晶法來說,在石墨坩鍋的黑盒子中無法即時觀察晶體生長狀況。其中,包含 SiC 單晶晶種、石墨坩堝及高純度 SiC 原料皆無法重覆使用,須破壞坩堝才能取出 SiC 晶體,確認長晶成功或失敗。加上因 SiC 具有 200 多種相近的晶態,要在如此嚴苛的條件下生長出大尺寸、無缺陷、全區皆為同一晶態,需要非常精確的熱場、流場、電性均勻度控制、材料匹配。因此,在一爐 7 天才能長成 2 公分。而且,因為一個直徑 4 吋的晶圓一次可以做出 1,000 個晶片,而直徑 6 吋的晶圓一次則可以做成 3,000 個晶片。但從 4 吋晶圓到 6 吋晶圓,晶體的生長是最難破解的關鍵技術,使得生產速度緩慢的情況之下,產量稀少。

因此,基於以上的條件,如果能藉由大資本的投資,在進行多爐共同生產的情況下,其所能產出的量就能超越其他競爭對手。所以,中國將在 10 月提出的「十四五 (第 14 個五年)規劃」 中,於相關技術領域投注約 10 兆人民幣,以國家之力全力支援發展第三代半導體產業,希望如同 5G 一樣實現彎道超車,除了擺脫第一、二代半導體被「卡脖子」的情況外,目標能站上半導體強國之林。

而對於中國的大動作,對於一直以來在第一、二代半導體有著市場領先地位來的台灣來說無疑造成壓力。陳榮欽強調,台灣發展第三代半導體能從原本第一、二代半導體經驗來轉換的技術優勢並不多,再加上中國大規模資金投資下,台灣要保持過往第一、二代半導體的競爭優勢,除了在技術研發上繼續進行之外,政府必須在各方面進一步提供支持。至於,台灣一直具備優勢競爭力的半導體人才方面,陳榮欽則是表示,當前的人才在第一、二代半導體發展都已不夠用,要有足夠的人才投入第三代半導體有其困難,這也顯示台灣必須在人才培育上加緊努力。

台積電領頭,外商肯定台廠競爭實力

儘管面對中國大動作發展第三代半導體,有企業表示對台灣將產生壓力,但也有企業卻表示樂觀態度,認為在過往第一、二代半導體的經驗基礎下,有晶圓代工龍頭台積電的領頭,台灣在第三代半導體仍有其發展潛力。全球 EDA 大廠、本身也是台積電緊密合作夥伴,也已開始布局第三代半導體的美商 ANSYS 就指出,仍看好台灣在第三代半導體未來的商機。ANSYS 技術長 Norman Chang 就指出,之前台積電已與客戶合作開發多年,在 2020 年與意法半導體一同宣布加速市場採用氮化鎵產品,並已促成累計超過 1,300 萬顆氮化鎵晶片出貨,這除了代表台積電正加緊第三代半導體的發展之外,也顯示由於有台積電進入第三代半導體市場,未來市場將因此快速擴張,也預計使得應用更加多元化,帶動更多的商機。

2021 年 6 月才宣布旗下先進多物理場簽核(signoff)解決方案已通過台積電先進 N3 和 N4 製程技術認證。這讓雙方共同客戶得以滿足高度複雜人工智慧/機器學習、5G、高效能運算(HPC)、網路和自駕車晶片對電源、散熱和可靠度的嚴格標準的 ANSYS,長期以來一直是台積電在製程上發展的重要夥伴。也因此,日前 ANSYS 與是德科技攜手透過強化版自動化 DME 工作流程,將元件層級設計整合進任務模型環境。這讓雙方共同客戶針對快速創新的航太和國防應用以及新興的 5G 通訊、自駕車、電動車領域,排除手動耦合設計的耗時瓶頸,其針對的就是就是台積電的第三代半導體技術發展而來,進一步顯示看好台灣在第三代半導體市場的發展。

事實上,台積電在第三代半導體領域早已深耕多年,這部分在先前的法說會上,總裁魏哲家也曾經親口證實。不過,相較於其他企業採技轉方式,台積電則是採自行投資研發的方式,由最基礎堆疊不同材料的磊晶技術開始發展。目前在矽基板氮化鎵上,2020 年已開發出 150 伏特和 650 伏特兩種平台。另外,台積電轉投資世界先進也加足馬力,大力發展矽基板的氮化鎵晶片製造技術,預計最快 2021 年底可小量生產。至於,在封裝廠精材方面,也投入氮化鎵射頻功率放大器的研發,2021 年也將進入量產階段。

另外,在國內受矚目的第三代半導體發展企業中,根據市場人士表示,漢民則是最早布局的企業。由早期布局從車用化合物半導體晶片設計的瀚薪開始、到基板和磊晶技術的嘉晶,再到代工製造的漢磊,整體來說布局完整。而且,當前漢磊也是台灣少數同時能生產氮化鎵和碳化矽兩種第三代半導體晶片的企業。至於,中美晶在 2020 年底入股宏捷科成為最大股東之後,進一步切入通訊用第三代半導體製造之外,旗下環球晶針對第三代半導體的基板技術發展也已建立基礎。未來,環球晶有機會結合下游相關公司,包括宏捷科、強茂、朋程、台半、茂矽等企業,建構半導體上游長晶企業。

建立三代半導體國家隊,政府與企業需要整合

根據 SEMI(國際半導體產業協會)功率暨第三代半導體(化合物半導體)晶圓廠展望報告指出,全球功率暨第三代半導體晶圓廠設備支出在無線通訊、綠能及電動車等應用帶動下,過去幾年呈現快速擴張,SEMI 預估相關投資將在 2021 年成長約 20% 至 70 億美元,創歷史新高,2022 年預計再成長至約 85 億美元,年複合成長率(2017~2022)高達 15%。

SEMI 全球行銷長暨台灣區總裁曹世綸也表示,隨著 5G 通訊、電動車、智慧物聯網時代的來臨,射頻(RF)、光電等相關技術、元件及應用需求持續看漲,推升功率電子與第三代半導體全球市場及投資成長。台灣以矽為基礎的半導體產業有很好基礎與能量,全球關鍵地位有目共睹。因應近年第三代半導體需求席捲全球,SEMI 率先串聯台灣廠商,透過全方位溝通平台,持續推動跨區域資源媒合,進行國際標準建立與政府政策倡議,力推台灣第三代半導體國家隊成形。