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火侯拿捏精准到位,半导体制程再进化

2025-04-04 221

您能想像家用微波炉的低频微波,也能应用于半导体制程吗?集结交通大学、工研院、国家奈米元件实验室三方之力的微波退火技术,成功克服多项技术难题,将学理落实于元件制程设备,展现节能与成本优势,此项技术更荣获 2017 全球百大科技研发奖

材料在生产制造的过程都需要退火的步骤,将材料加温到特定温度,保持一段时间,然后再以适宜的速度冷却,目的是改善材料的微结构,并使材料成分或组织获得调控。以半导体前段制程为例,退火的作用就是透过加热来恢复晶体的单晶结构,并活化当中的掺杂物质。

▲交大、工研院及国家奈米元件实验室携手,研发微波退火技术,改变半导体制程,荣获 2017 全球百大科技研发奖。

但退火的温度和速度是门大学问,随着半导体技术的演进,退火技术也从传统的炉管到现行的快速热退火处理(Rapid Thermal Annealing;RTA)。已在碳纤维领域应用多年的微波退火技术也愈来愈受注目,甚至可望扩大应用范畴至光电产业。

▲低频微波不但可以降低成本,还有大幅缩短碳足迹的节能效果,符合绿色环保趋势(图片来源:工研院)。

传统的炉管退火可以一次处理多片晶圆,但温度高、作业时间长,不适用于愈来愈精密细小的元件,可能会造成电路失效或漏电;RTA 的温度较低、作业时间短,但一次只能处理一片晶圆。相较之下,微波退火的温度比 RTA 更低,而且可以同时批次处理多片晶圆,成为更理想的解决方案,而且只需置换现有的退火设备,原有前后上下游的制程都不需要更动。

工研院机械与机电系统研究所资深研究员黄昆平表示,RTA 的作法是热传导方式,以瞬间高温加热到晶圆表面,再热扩散到里面的掺杂物质,掺杂物质接收到热才能活化,同时修补硅晶格。微波退火则是以微波直接穿透硅晶格,直接对硅原子晶格震动加热以利其吸收能量,因而可以免除高温热传导使掺杂物质扩散之效应,达到低温退火的目的。

交通大学和工研院在微波退火技术的合作研究至今已进行三年多。一开始是因为交通大学因研究而需要 5.8 GHz 工业规格的微波退火设备,但高频微波的 5.8 GHz 磁控管技术尚未进入成熟阶段,元件寿命不长,大约 500 小时就要换一根微波管,成本高昂,经费负担极为沉重。

国立交通大学电子物理系教授赵天生表示,交通大学做元件,工研院做设备,双方一拍即合,国家奈米元件实验室则提供半导体制程实作的洁净室。早在合作之前,交通大学就已发表多篇微波退火技术的相关论文,若能成功推向商业化,无论是现在的 12 吋或未来的 18 吋晶圆,都能节省大量的元件制程时间。

▲工研院机械所研究员黄昆平表示,微波退火可免除热扩散效应,达到低温退火的目的(图片来源:工研院)。

与工研院合作之后,研究方向改为 2.45 GHz,也就是一般家用微波炉的频率,因为工业等级的 2.45 GHz 磁控管费用仅需 5.8 GHz 磁控管的 1/10,元件平均寿命是 3,000 小时,相较于 5.8 GHz 有绝对的成本优势。此外,经过量测后,发现硅晶原子震动吸收频率是 2.7 GHz,如果纳入掺杂晶圆内其他材料,吸收频率约为 3.5 GHz 至 4.0 GHz,这两项数据都与 2.45 GHz 的微波频率最为接近。

但由于微波模态和频率平方成正比,2.45 GHz 相较于 5.8 GHz 明显居于劣势。对此,工研院达成两大技术突破,首先是改善微波整流器结构,以及改变导波管几何方向,因此,增加了两倍模态数,所以均匀性表现甚至比 5.8 GHz 更好,如果 5.8 GHz 的退火时间需要 300 秒,2.45 GHz 只需要 100 秒就能达到相同效果;另一个突破则是衬片材质的改良,退火均匀性因而提升。整体而言,单片晶圆的均匀性从 95% 达到 99.5%,优于国内半导体厂商要求的 99%。

▲单片晶圆的均匀性从 95% 达到 99.5%,优于国内半导体厂商要求的 99%。

接下来,工研院和交通大学主推的应用方向是化工业之碳纤维,以及光电产业如硅薄膜、LED,其本身也是共价键的材料很适合开发微波退火相关应用,对于能耗需求更高的化工及光电产业而言,不但可以降低成本,还有大幅缩短碳足迹的节能效果,符合绿色环保趋势。

▲微波退火技术若成功商业化,无论是现在的 12 吋或未来的 18 吋晶圆,能节省大量的元件制程时间。

黄昆平表示,目前市场上由美国厂商主导的微波退火技术,是以变频微波或 5.8 GHz 为主,两者都以高频微波来解决均匀性的问题,但其为管制出口技术以及成本太高,国内厂商难以取得相关技术,交通大学、工研院和国家奈米元件实验室合力以创新想法来弥补低频的缺点,达到媲美 5.8 GHz 的效果,目前已技转给国内厂商,预期近期就可看到更多产业应用成果。

文章授权来源:微波退火

(首图来源:Shutterstock)

2019-03-21 14:30:00

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