相控陣列變頻微波技術

撰文/范中興

工研院研發的「相控陣列變頻微波技術」可精準調控頻率、相位,將此概念運用在半導體工業,可使晶圓品質更穩定,還能有效節能,獲工研院傑出研究獎金牌肯定。
工研院研發的「相控陣列變頻微波技術」可精準調控頻率、相位,將此概念運用在半導體工業,可使晶圓品質更穩定,還能有效節能,獲工研院傑出研究獎金牌肯定。

烤披薩時,若要同時烤熟鮮蝦又不讓櫛瓜過熟,幾乎不可能。如果有一種變頻微波技術,針對不同食材給予不同頻率的微波,讓成品出爐時熟度一致,那就太棒了。工研院開發的「相控陣列變頻微波技術」,將此概念運用在半導體工業,可使晶圓品質更穩定,還能有效節能,獲工研院傑出研究獎金牌肯定。

微波加熱技術的應用已經有數10年,包括家電及工業上都廣泛應用,最基本的就是家中的微波爐,它透過磁控管發出2.45 GHz的微波,讓水分子間接產生震盪加熱烹調食物。

而在工業使用的退火製程,可改變材料微結構的一種熱處理。以半導體為例,半導體前段晶圓摻雜製程,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,但退火的溫度和速度是門大學問。

工研院機械與機電系統研究所專案經理黃昆平表示,材料種類各異,不同的材料對電磁波吸收程度都不同,「如果可以知道某個材料吸收的微波頻率是多少,那個頻率的加熱效果會是最好的,就可以大幅縮短加熱、退火的時間。」

加熱退火時間大幅減少

工研院研發的變頻微波技術,是將3.2mW低功率高頻訊號源,藉由氮化鎵(GaN)固態功率放大器,提升至100W,可做變頻輸出,也可選擇特定頻率輸出,讓不同材料獲得適合的微波頻率。

這項新技術的優勢,黃昆平表示,以碳纖維生產為例,過去多以紅外線、電阻絲式間接加熱,溫度需要攝氏2,800至3,000度,加熱時間要60分鐘才能產生相變化(Phase Change);若改為微波加熱,溫度可以降到2,000度,幾分鐘就可以產生相變化;至於在半導體上,產生相變化的溫度可從1,000度降到500度。對產業來說,此技術最大貢獻之一就是節能,尤其在減碳永續趨勢下,可幫助製造業降低成本,大幅降低製程碳足跡。

減少高溫擴散降低缺陷

黃昆平解釋,由於退火所需溫度變低,大約可節省80%耗能;另外,因溫度低,冷卻的時間也大幅縮短,也能省下至少3成的時間,甚至可達一半。「它還附加一個好處,就是過去退火溫度可能要900~1,000度,使用微波是針對個別材料調整頻率,可以在較短時間內達到結晶結構的相變化,實際反應溫度可能只要一半,這對製程有很大幫助,特別是對前後站製程,減少了高溫熱擴散造成前後站的缺陷。」

黃昆平以烤牛排舉例,碳火直烤,在離開爐火後牛排本身溫度仍高,等於還在持續受熱,因此溫度、時間要拿捏得相當精準;如果用微波加熱,針對牛肉反應的頻率給予微波,牛排達到需要熟度的時間變短了、溫度也降低,可以降低牛排過熟的問題。再如烤披薩,披薩包括了麵皮及不同餡料,若用窯烤,能控制的只有溫度及時間,如果用微波加熱,針對不同材料使用不同微波源發出不同頻率的微波,讓各種餡料達到最佳熟度,烤披薩的時間縮短了,理論上會更美味。

調控相位加熱均勻度逾99%

而電磁波除了頻率、振幅,還有一個相位(Phase)的特性,相位是描述訊號波形變化的度量,或物體週期運動的階段,主要與退火物品的受熱均勻度有關。團隊成員之一的工研院資訊與通訊研究所資深工程師蔡岳霖指出,透過調控電磁波輸出頻率、振幅以及相位,產生建設性干涉或破壞性干涉,就能組合出最佳的加熱場型,大幅提高受熱物品的均勻度,目前該技術的加熱均勻度可達99%以上。

至於微波中有電場及磁場,使用在半導體晶圓製程中,會不會對晶圓上的線路產生干擾?黃昆平表示,在晶圓前段製程中,它的線路都還是雛形,不太有影響,理論上會影響到線路是在後段的封裝,「我們做過多次實驗,並未發現明顯的干擾,主要是因為晶片裡面的銅導線夠細,未來該技術也有機會應用在封裝上。」

2017年,由國立交通大學、工研院、國家奈米元件實驗室三方機構合力研究的微波退火技術,入圍當年度全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards),這次就是以先前的技術為基礎做精進。

「相較於2017年的技術,這次最大的精進就是可以做頻率的選擇及相位的調控,」黃昆平說,因為當時微波頻率是固定的,要做多重模態,就只能放置多個磁控管,因此腔體很大;現在可以做頻率選擇與及相位調控,無須用到這麼多磁控管,腔體體積縮小一半,「另外,因可調整受熱物的頻率,退火時間也可以縮短,整體成本也降低了。」

從「定頻」到「變頻」,再到相位可自由調控,研究過程中碰到許多困難與瓶頸。團隊之一的工研院電子與光電系統研究所經理陳昌昇指出,不同材質吸收微波的頻率不同,要量測團隊不熟悉的材質並確認其吸收頻率,是一開始的挑戰。「我們必須重新設計一個量測架構,再模擬、驗證我們的量測架構是否正確,光是驗證過程就花了很多時間,」陳昌昇說,「甚至還得設計治具(Jig),以避免治具造成量測的雜訊。」

黃昆平補充,「量測這段工作可以說是這個計畫的眼睛,他告訴我們多少頻率,我們就往這方向去發展,當然,最後還是要靠物理運算去雙重認證,用數學去校正。」

新技術臺灣第一領先國際

這項技術的成果,目前在選擇性加熱的能力上,已經領先許多國家。黃昆平說明,「儘管微波變頻加熱並不是新技術,但我們同時具備變頻加熱、相位調控與數值分析,被加熱物的均勻性可以做得比別人好,不僅領先,也是這項技術的特色。」他充滿信心的表示,該技術未來技轉,將是第一個國產化的同類型技術,即使放到國際上都屬於領先群。

產業或許會關心,新設備投資的回收問題。黃昆平指出,加熱退火製程往往攸關能源與成本,採用此技術可大幅節能,估計在食品業約1至2年可回收設備成本;若是廢棄物處理事業回收則更快,估計半年就可達到,像是科技廠製程中酸液回收濃縮的汙泥,要交給外部處理廠處理,用微波加熱乾燥縮小體積,速度就很快,也很節能。

放眼未來商機,以半導體產業來說,若著眼於替換傳統退火設備,全球相關市場估計約數10億美元;就食品業而言,光是在果乾製作市場,臺灣每年至少也有新臺幣幾10億元的設備市場。該技術目前正積極導入產業,開始為企業設計微波加熱生產線,預計明、後年可以進行量產。

透過調控電磁波輸出頻率、振幅以及相位,產生建設性干涉或破壞性干涉,就能組合出最佳的加熱場型,大幅提高受熱物品的均勻度達99%以上。
透過調控電磁波輸出頻率、振幅以及相位,產生建設性干涉或破壞性干涉,就能組合出最佳的加熱場型,大幅提高受熱物品的均勻度達99%以上。

 

求助高速電腦篩選排列組合

蔡岳霖也指出,這個技術是透過頻率與相位的調控,來達到均勻加熱的目的,「但頻率從2×109到4×109赫茲,相位從0到360度,形成的排列組合非常多,怎麼做選擇?」

「最後是靠超級電腦!」蔡岳霖透露,團隊把條件都輸入電腦,由電腦去篩選出最佳化的排列組合,再從這些排列組合去執行。黃昆平回憶,一般電腦運算,光是一個數值就要1到2週,後來求助高速電腦中心,以及同仁支援的數值模擬分析方法,採用高速電腦運算大約1到2天,速度加快很多。

退火製程的應用很廣,半導體、太陽能、化工業,甚至未來在食品業都用得到。黃昆平舉例,「像是穀物、水果的乾燥,可以說任何東西在製程中需要加熱、退火、乾燥的部分都用得上。」

食品業使用這麼尖端的技術,在成本效益上會不會不划算?黃昆平說:「其實是非常划算!」他以烹調食物為例,使用電鍋可能需要半小時,用微波爐可能只需要3分鐘。根據這原理,過去製作果乾,用傳統烘乾可能需要7~8個小時,「我們實驗結果,用微波烘乾不到1小時就可以辦到。」

這項新的微波技術,不管在食品業、工業上,可以達到省時、省工、節能,還有一項就是均勻度。黃昆平表示,微波加熱的應用雖然已經很久,但最大的挑戰就是均勻度。主要是過去對微波加熱的模態掌控不夠好,加熱後有些有乾、又些沒乾。拿食品來舉例,蔓越莓乾、芒果乾一次可能烘乾幾千顆,如果乾燥程度不一致,最後可能整批都報廢掉。「現在這個相控陣列變頻微波技術,均勻度比過去好很多,加熱物換成晶圓、太陽能電池、光電元件等,依舊有很好的均勻效果。」

 

文章轉載自工業技術研究院工業技術與資訊月刊