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）
