【李家同】為台灣加油打氣專欄_(142)微波退火

張貼者:2018年1月29日 下午5:35台灣精密工程學會

我們半導體的化合物內部的構造是很有規律的,如圖一。

 

圖一

但是在製造半導體產物的過程中,往往要加入雜質。一旦加入雜質,結構就混亂了,如圖二所示。

 

圖二

要使這個加入雜質後的半導體產物恢復原來的規律,就要做退火的工作。退火可以用微波,如圖三。

 

圖三

 

對於矽(Si)化合物而言,比較理想的其實是2.7GHz的微波,1Hz是指在1秒鐘內振動1次,1GHz1秒鐘振動10億次。微波在空間也是一種波,圖四是一個例子。

 

圖四 

可以看出一個微波有波峰和波谷,我們利用微波當然希望在空間的波峰和波谷多而且分布得很均勻。波峰和波谷都是所謂的節點。圖五是一個比較高頻率的微波,可以看出頻率越高,節點會越多。

 

圖五

 

單純考慮被加熱物之均勻性,你就可以用很高頻率的微波,通常我們將要退火的東西放在一個腔體內,微波從一個方向射進去,如圖六。

 

圖六

 

在過去,外國所賣給我們的微波退火儀器,用的頻率是5.8GHz,通常用了6個微波產生器。我國的工程師知道台灣本地就有2.45GHz的微波產生器,所以他們設計了一種新型的微波退火儀器,如圖七。

 

圖七

這種儀器的特色是將電磁波分成兩種,互相垂直,各位可以想像得到,互相垂直的微波當然會互相干擾,其干擾的結果是好的,因為節點會增加。可是這還不夠,我們的工程師又想出一招,請看圖八。

 

圖八

 

圖八的上部分是舊的發射方法,假設我們有12個微波產生器,它們是一個一個發射出去的,而且每兩個波之間有短暫的空檔。我們的工程師想出一個辦法,那就是把每一個微波產生器所發射的時間拖長一點,如此一來,每兩個微波就會有一些互相的干擾,這種干擾又可以增加節點,而且也可以使得節點的分布更加均勻。

 

至於發射的時候,為什麼微波的強度由小而大,然後又由大而小,這牽涉到與微波發射有關的電源供應器。我們的工程師其實是相當了解電源供應器的,所以他們可以使得發射的時間拉長。

 

最後的結果是,我們自己製造的微波退火儀器使用了24個微波產生器,每一個微波的頻率是2.45GHz。值得大家知道的是,我們國家有能力製造這種微波產生器,外國同樣效果的儀器價格是我們儀器的7倍,以壽命而言,我們設備的壽命是外國儀器的6倍。

 

要製造這種設備,必須懂得相當多的知識,微波天線就不是一件簡單的事。我們該感到幸運的是,我們國家已經有微波產生器的工業。世界上有這種能力的國家並不多的,這項研究的時間長達4年,但是得到了全球R&D100的獎項,大家應該多多鼓勵那些認真工作的工程師。

 

這篇文章所提到的微波退火,應用的領域非常廣,有碳纖維、粉末冶金、矽半導體、三五半導體和太陽電池等。

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