SCD（半导体器件公司）是全球领先的先进红外探测器和系统设计与生产商，以其尖端技术和电光解决方案创新而闻名。作为一家快速发展的公司，SCD面临着缩短产品开发周期的挑战，因为率先推出新产品对于保持竞争优势至关重要。为了满足这些需求，SCD采用了实验设计（DOE）等创新方法来加速工艺优化和产品开发。
本文展示了如何灵活运用设计实验（DOE）来提升采用两步反应离子刻蚀（RIE）工艺制备的器件性能。最初，我们使用JMP DOE软件设计了一系列实验。对工艺行为的初步观察表明，需要调整设计空间。随着DOE的推进，我们对潜在机制有了更深入的理解，并据此改进了工艺化学。
本研究强调了实验设计方法灵活性的重要性，表明实际实验可能需要不断调整实验方案。最终，我们的工作强调，虽然实验设计未必总能得出最终的预测模型，但它能够为理解过程机制提供宝贵的见解，从而有助于改进决策和过程控制。
您好。我叫盖伊·伯斯坦，是SCD公司工艺开发组的研发工程师。SCD公司专注于红外探测器的生产，而反应离子刻蚀（简称RIE）是我们生产工艺中的重要步骤之一。
在反应离子刻蚀（RIE）工艺中，有许多参数可能会影响器件的性能，例如电感耦合等离子体（ICP）和射频（RF）功率、温度、刻蚀时间等等。红外探测器的一个重要特性是暗电流。
在这项工作中，我们专注于优化反应离子刻蚀（RIE）参数，以降低暗电流并提升性能。我们的RIE工艺包含两个步骤。凭借我们的知识和经验，我们将实验设计（DOE）简化为两个因素：第一阶段刻蚀时间和第二阶段刻蚀时间。实验设计限制在九片晶圆内，并且我们还被要求测试非线性响应。
我们首先在 JMP 的定制 DOE 设计平台中创建了一个设计空间，然后手动对其进行修改以满足我们的需求。
我们可以看到，在两个连续因子和三个水平的情况下，存在因子水平高低及其组合的实验。此外，还有四个中点和一个中心点。
然而，我们知道，如果第一阶段太短而第二阶段太长，则很可能会增加暗电流。我们决定将左上角的实验结果用作另一个中心点。
至于测试结果，我们利用晶圆制作了测试器件。然后我们测量了它们的暗电流，并生成了描述每个测试器件的I-V曲线。我们关注的是稳定区域（称为平台区）的暗电流值。在该区域内，暗电流变化不大。我们的目标是获得平台区内最低的暗电流值和尽可能长的平台区。
在完成 DOE 之后，我们计划进行一个验证阶段，在这个阶段我们将使用三个晶圆，在 DOE 中发现的最佳条件下制造实际的红外探测器。
我们开始进行实验，从初步结果来看，在第二阶段持续 15 分钟的实验中，暗电流明显高于持续 10 分钟的实验。
此时，我们决定探索更短的蚀刻时间范围，而不是继续执行原计划的20分钟实验。我们可以看到，随着新信息的出现，我们的设计空间是如何演变的。我们继续进行实验并获得更多结果，此时，我们可以清楚地看到每个因素如何影响我们的实验结果。
我们可以看到，在第一阶段，存在一个最佳时间，此时平台期最长。但在第二阶段，随着刻蚀时间的减少，暗电流持续下降。
然而，我们无法完全消除这一步骤，因此我们必须更深入地思考蚀刻步骤如何影响暗电流。最终，我们得出结论，必须改变蚀刻工艺的性质。
在反应离子刻蚀（RIE）中，存在两个同时存在的组成部分。通过改变和调整参数，可以控制刻蚀过程向其中一个方向发展。化学刻蚀部分是指等离子体产生的自由基到达衬底表面，发生反应，反应产物蒸发并从刻蚀室排出。物理刻蚀部分则是指加速撞击衬底的离子轰击刻蚀过程。
因此，我们决定采用物理蚀刻而非化学蚀刻。此时，DOE 还剩下一片晶圆，我们用它在相同条件下制作了一个测试器件。事实上，我们在这个测试器件中获得了整个 DOE 的最佳结果。
接下来进入验证阶段。第一阶段，我们沿用了之前找到的最佳蚀刻时间。第二阶段，我们使用了三片晶圆，分别蚀刻10分钟、5分钟和采用新的蚀刻条件（即增加物理蚀刻量）。我们可以看到，缩短第二阶段的蚀刻时间可以降低暗电流。而采用新的蚀刻条件（即增加物理蚀刻量）后，暗电流的下降幅度更大。
总之，本文表明，工程经验和知识对于选择合适的因素及其水平至关重要。我们也看到，应保持开放的心态，并随时根据新信息调整方案。此外，DOE 不仅是优化流程的强大工具，还能增进对流程的了解和认识。最后，任何 DOE 或实验的重点都应该是加深理解，而不仅仅是将数据拟合到图表中。
我要感谢我的同事们协助我完成这些实验，也要感谢SCD允许我展示这项研究成果。如果您有任何疑问，欢迎在会议上与我联系。谢谢。
