火侯拿捏精準到位,半導體製程再進化

作者 | 發布日期 2017 年 11 月 23 日 12:00 | 分類 材料、設備 , 零組件 follow us in feedly

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,此項技術更榮獲 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。

▲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,榮獲 2017 全球百大科技研發獎。

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 5.8 GHz 工業規格的微波退火設備,但高頻微波的 5.8 GHz 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 2.45 GHz,也就是一般家用微波爐的頻率,因為工業等級的 2.45 GHz 磁控管費用僅需 5.8 GHz 磁控管的 1/10,元件平均壽命是 3,000 小時,相較於 5.8 GHz 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 2.7 GHz,如果納入摻雜晶圓內其他材料,吸收頻率約為 3.5 GHz 至 4.0 GHz,這兩項數據都與 2.45 GHz 的微波頻率最為接近。

但由於微波模態和頻率平方成正比,2.45 GHz 相較於 5.8 GHz 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 5.8 GHz 更好,如果 5.8 GHz 的退火時間需要 300 秒,2.45 GHz 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 5.8 GHz 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 5.8 GHz 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。

文章授權來源:微波退火

(首圖來源:Shutterstock)