〈工業技術與資訊〉相控陣列變頻微波技術

撰文／范中興

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。

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。」

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 353 期 2021 年 7 月號，未經授權不得轉載。