▲交大、工研院及國家奈米元件實驗室攜手，研發微波退火技術，改變半導體製程，入圍2017全球百大科技研發獎
您能想像家用微波爐的低頻微波，也能應用於半導體製程嗎？集結交通大學、工研院、國家奈米元件實驗室三方之力的微波退火技術，成功克服多項技術難題，將學理落實於元件製程設備，展現節能與成本優勢，此項技術入圍2017全球百大科技研發獎。 材料在生產製造的過程都需要退火的步驟，將材料加溫到特定溫度，保持一段時間，然後再以適宜的速度冷卻，目的是改善材料的微結構，並使材料成分或組織獲得調控。以半導體前段製程為例，退火的作用就是透過加熱來恢復晶體的單晶結構，並活化當中的摻雜物質。 但退火的溫度和速度是門大學問，隨著半導體技術的演進，退火技術也從傳統的爐管到現行的快速熱退火處理（Rapid Thermal Annealing；RTA）。已在碳纖維領域應用多年的微波退火技術也愈來愈受注目，甚至可望擴大應用範疇至光電產業。
▲低頻微波不但可以降低成本，還有大幅縮短碳足跡的節能效果，符合綠色環保趨勢 (圖片來源:工研院)
傳統的爐管退火可以一次處理多片晶圓，但溫度高、作業時間長，不適用於愈來愈精密細小的元件，可能會造成電路失效或漏電；RTA的溫度較低、作業時間短，但一次只能處理一片晶圓。相較之下，微波退火的溫度比RTA更低，而且可以同時批次處理多片晶圓，成為更理想的解決方案，而且只需置換現有的退火設備，原有前後上下游的製程都不需要更動。 工研院機械與機電系統研究所資深研究員黃昆平表示，RTA的作法是熱傳導方式，以瞬間高溫加熱到晶圓表面，再熱擴散到裡面的摻雜物質，摻雜物質接收到熱才能活化，同時修補矽晶格。微波退火則是以微波直接穿透矽晶格，直接對矽原子晶格震動加熱以利其吸收能量，因而可以免除高溫熱傳導使摻雜物質擴散之效應，達到低溫退火的目的。 交通大學和工研院在微波退火技術的合作研究至今已進行三年多。一開始是因為交通大學因研究而需要5.8GHz工業規格的微波退火設備，但高頻微波的5.8GHz磁控管技術尚未進入成熟階段，元件壽命不長，大約500小時就要換一根微波管，成本高昂，經費負擔極為沉重。 國立交通大學電子物理系教授趙天生表示，交通大學做元件，工研院做設備，雙方一拍即合，國家奈米元件實驗室則提供半導體製程實作的潔淨室。早在合作之前，交通大學就已發表多篇微波退火技術的相關論文，若能成功推向商業化，無論是現在的12吋或未來的18吋晶圓，都能節省大量的元件製程時間。
▲工研院機械所研究員黃昆平博士表示，微波退火可免除熱擴散效應，達到低溫退火的目的 (圖片來源:工研院)
與工研院合作之後，研究方向改為2.45GHz，也就是一般家用微波爐的頻率，因為工業等級的2.45GHz磁控管費用僅需5.8GHz磁控管的1/10，元件平均壽命是3,000小時，相較於5.8GHz有絕對的成本優勢。此外，經過量測後，發現矽晶原子震動吸收頻率是2.7GHz，如果納入摻雜晶圓內其他材料，吸收頻率約為3.5GHz至4.0GHz，這兩項數據都與2.45GHz的微波頻率最為接近。 但由於微波模態和頻率平方成正比，2.45GHz相較於5.8GHz明顯居於劣勢。對此，工研院達成兩大技術突破，首先是改善微波整流器結構，以及改變導波管幾何方向，因此，增加了兩倍模態數，所以均勻性表現甚至比5.8GHz更好，如果5.8GHz的退火時間需要300秒，2.45GHz只需要100秒就能達到相同效果；另一個突破則是襯片材質的改良，退火均勻性因而提升。整體而言，單片晶圓的均勻性從95％達到99.5％，優於國內半導體廠商要求的99％。
▲單片晶圓的均勻性從95％達到99.5％，優於國內半導體廠商要求的99％
接下來，工研院和交通大學主推的應用方向是化工業之碳纖維，以及光電產業如矽薄膜、LED，其本身也是共價鍵的材料很適合開發微波退火相關應用，對於能耗需求更高的化工及光電產業而言，不但可以降低成本，還有大幅縮短碳足跡的節能效果，符合綠色環保趨勢。
▲微波退火技術若成功商業化，無論是現在的12吋或未來的18吋晶圓，能節省大量的元件製程時間
黃昆平表示，目前市場上由美國廠商主導的微波退火技術，是以變頻微波或5.8GHz為主，兩者都以高頻微波來解決均勻性的問題，但其為管制出口技術以及成本太高，國內廠商難以取得相關技術，交通大學、工研院和國家奈米元件實驗室合力以創新想法來彌補低頻的缺點，達到媲美5.8GHz的效果，目前已技轉給國內廠商，預期近期就可看到更多產業應用成果。
資訊來源：http://www.itritech.net/blog/2017-rd100-cinmat/?utm_source=cinmat&utm_campaign=2017-RD100-landingpage