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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

312期2017年10月號

出版日期:2017/10/15

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源於日常生活的工業製程大躍進

撰文/李幸宜 攝影/黃鼎翔

能想像家用微波爐的低頻微波,也能應用於半導體製程?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,更展現節能與成本優勢,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。
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。

2017全球百大科技研發獎獲獎 - 半導體微波退火

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半導體退火過程影響產品良率,工研院研發的「半導體微波退火」技術採用2.45GHz微波管,成本僅工業等級5.8GHz的1/10、平均使用壽命長6倍,且產出晶圓均勻性達99.5%,超越廠商99%的標準。

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