源於日常生活的工業製程大躍進 2019/10/24

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，並使化學成分獲得調控。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。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。 


交通大學、工研院、國家奈米元件實驗室合力開發的微波退火技術，克服困難將學理落實於產業應用，是跨領域合作的成功典範。

比溫度也比速度的退火技術

半導體前段製程是以100％良率為目標，晶圓若在第一道步驟的良率就有狀況，後面的堆疊也會跟著出問題。但隨著製程發展，半導體對退火溫度的要求日趨嚴格，特別是次五奈米世代以後，傳統矽通道將有機會被矽鍺、純鍺、三五族等高遷移率材料取代。而且負電容模組亦是未來可以延續摩爾定律的方向。這些先進的模組，都需要低製程的溫度。

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的作法是熱傳統方式，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，進而修補矽晶格。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，達到低溫退火的目標。

家用低頻微波的華麗變身
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，成本約為新台幣20萬元，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。

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磁控管費用僅需新台幣1萬元，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，量測發現矽晶原子震動吸收頻率是2.7GHz，如果納入其他材料的摻雜考量，吸收頻率也約為3.5GHz至4.0GHz，這兩項數據都與2.45GHz的微波頻率最為接近。

由於微波模態和頻率平方成正比，2.45GHz相較於5.8GHz則明顯居於劣勢。對此，工研院達成兩大技術突破，首先是加大微波前端半波整流器裡電容器的電容，以及改變導波管幾何方向之硬體的作法增加了兩倍模態數，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％。

擴大應用範疇至碳纖維與光電領域
除了半導體，工研院和交通大學對微波退火在其他材料的應用也進行許多研究。目前微波退火技術在工業應用最成熟的領域當推是碳纖維，由於碳對微波的吸收係數很高，大約六、七年前就由日本碳纖維大廠率先引用，取代原有的RTA，大幅降低能耗並提升生產效率，另一個好處則是透過微波退火的程序來提升原料等級，倍增產品的附加價值。

接下來，工研院和交通大學主推的應用方向是光電產業如矽薄膜、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。

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，近期就可看到更多產業應用成果。

資訊來源：https://www.youtube.com/watch?v=trUXrh3nMBg&feature=youtu.be