Hallo. Mein Name ist Guy Burstein, und ich bin Forschungs- und Entwicklungsingenieur bei SCD in der Prozessentwicklungsgruppe. Wir bei SCD sind auf die Herstellung von Infrarotdetektoren spezialisiert, und ein wichtiger Schritt in unserem Produktionsprozess ist das reaktive Ionenätzen, kurz RIE.
Beim reaktiven Ionenätzen (RIE) gibt es zahlreiche Parameter, die die Leistung unserer Bauelemente beeinflussen können. Dazu gehören beispielsweise der ICP-Wert, die HF-Leistung, die Temperatur, die Ätzzeit und viele weitere. Eine wichtige Kenngröße von Infrarotdetektoren ist der Dunkelstrom.
In dieser Arbeit konzentrierten wir uns auf die Optimierung der RIE-Parameter, um den Dunkelstrom zu reduzieren und die Leistung zu verbessern. Unser RIE-Prozess umfasst zwei Schritte. Basierend auf unserem Wissen und unserer Erfahrung reduzierten wir die Versuchsplanung (DOE) auf zwei Faktoren: die Ätzzeit in Schritt 1 und Schritt 2. Die DOE war auf neun Wafer beschränkt, und wir wurden außerdem beauftragt, das nichtlineare Verhalten zu untersuchen.
Wir begannen damit, einen Designbereich in der kundenspezifischen DOE-Designplattform von JMP zu erstellen und ihn dann manuell an unsere Bedürfnisse anzupassen.
Anhand der zwei kontinuierlichen Faktoren und der drei Stufen lassen sich Experimente mit hohen und niedrigen Faktorstufen sowie deren Kombinationen an den Eckpunkten erkennen. Es gibt vier Mittelpunkte und einen zentralen Punkt.
Wir wissen jedoch, dass bei einer zu kurzen ersten und einer zu langen zweiten Phase die Wahrscheinlichkeit für einen Anstieg des Dunkelstroms hoch ist. Daher haben wir uns entschieden, das Experiment aus der oberen linken Ecke als weiteren Mittelpunkt zu verwenden.
Zur Untersuchung der Kennlinien fertigten wir Testbauelemente aus unseren Wafern an. Anschließend maßen wir deren Dunkelstrom und konnten so für jedes Testbauelement eine Kennlinie erstellen. Uns interessiert hierbei der Dunkelstromwert im stabilen Bereich, dem sogenannten Plateau. In diesem Bereich ändert sich der Dunkelstrom nicht wesentlich. Unser Ziel ist es, den niedrigsten Dunkelstromwert und die längste Plateauphase zu erreichen.
Nach Abschluss des DOE planten wir eine Validierungsphase, in der wir drei Wafer haben würden, mit denen wir unter den besten Bedingungen, die wir im Rahmen des DOE finden würden, tatsächliche Infrarotdetektoren herstellen könnten.
Wir haben mit der Durchführung der Experimente begonnen, und bei der Auswertung der ersten Ergebnisse haben wir festgestellt, dass der Dunkelstrom bei Experimenten mit einer zweiten Phase von 15 Minuten deutlich höher war als bei Experimenten mit einer Phase von 10 Minuten.
An diesem Punkt entschieden wir uns, den kürzeren Bereich der Ätzzeit zu untersuchen, anstatt unseren ursprünglichen Plan mit den 20-minütigen Experimenten fortzusetzen. Hier lässt sich erkennen, wie sich unser Designraum durch die neuen Erkenntnisse weiterentwickelt hat. Wir führten weitere Experimente durch und erhielten zusätzliche Ergebnisse. Nun konnten wir sehen, wie sich die einzelnen Faktoren auf unsere Reaktionen auswirken.
Wir sehen, dass es im ersten Stadium einen optimalen Zeitpunkt gibt, an dem das Plateau am längsten ist. Im zweiten Stadium hingegen sinkt der Dunkelstrom kontinuierlich, wenn wir die Ätzzeit verkürzen.
Da wir diesen Schritt jedoch nicht vollständig eliminieren konnten, mussten wir genauer untersuchen, wie sich dieser Ätzprozess auf den Dunkelstrom auswirkt. Wir kamen zu dem Schluss, dass wir die Art unseres Ätzprozesses ändern mussten.
Beim reaktiven Ionenätzen (RIE) wirken zwei Komponenten gleichzeitig. Durch Variation und Anpassung der Parameter lässt sich der Ätzprozess in Richtung der einen oder anderen Komponente verschieben. Bei der chemischen Ätzkomponente treffen Radikale aus dem Plasma auf das Substrat. Sie reagieren an der Oberfläche, und die Reaktionsprodukte verdampfen und werden aus der Kammer entfernt. Bei der physikalischen Komponente werden Ionen auf das Substrat beschleunigt und treiben durch diesen Beschuss den Ätzprozess voran.
In unserem Fall entschieden wir uns daher, den Fokus stärker auf das physikalische Ätzen als auf die chemische Komponente zu legen. Zu diesem Zeitpunkt hatten wir noch einen Wafer aus dem DOE übrig, den wir nutzten, um unter diesen Bedingungen ein Testbauelement herzustellen. Tatsächlich erzielten wir mit diesem Testbauelement die besten Ergebnisse des gesamten DOE.
Nun zur Validierungsphase. In der ersten Phase wählten wir die zuvor ermittelte optimale Ätzzeit. In der zweiten Phase verwendeten wir drei Wafer: einen mit einer Ätzzeit von 10 Minuten, einen mit 5 Minuten und einen mit den neuen Bedingungen für die intensivere physikalische Ätzung. Hier zeigt sich, wie die Reduzierung der Ätzzeit in der zweiten Phase den Dunkelstrom verringert. Mit den neuen Bedingungen und der intensiveren physikalischen Ätzung sinkt der Dunkelstrom sogar noch weiter.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit gezeigt wurde, wie wichtig Erfahrung und Fachwissen im Ingenieurwesen für die Auswahl der richtigen Faktoren und ihrer Stufen im Rahmen der Versuchsplanung (DOE) sind. Wir haben gesehen, dass Offenheit und die Bereitschaft zur Anpassung des Plans an neue Erkenntnisse unerlässlich sind. Die Versuchsplanung ist ein leistungsstarkes Werkzeug, nicht nur zur Prozessoptimierung, sondern auch zur Wissenserweiterung und zum besseren Verständnis der Prozesse. Letztendlich sollte der Fokus jeder Versuchsplanung oder jedes Experiments auf dem Erkenntnisgewinn liegen und nicht lediglich auf der Anpassung von Daten an ein Diagramm.
Ich möchte meinen Kollegen für ihre Unterstützung bei der Durchführung dieser Experimente danken und SCD für die Möglichkeit, diese Arbeit zu präsentieren. Bei Fragen stehe ich Ihnen gerne auf der Konferenz zur Verfügung. Vielen Dank.
