SCD（半導體元件公司）是全球領先的先進紅外線探測器和系統設計與生產商，以其尖端技術和電光解決方案創新而聞名。作為一家快速發展的公司，SCD面臨著縮短產品開發週期的挑戰，因為率先推出新產品對於保持競爭優勢至關重要。為了滿足這些需求，SCD採用了實驗設計（DOE）等創新方法來加速製程最佳化和產品開發。
本文展示如何靈活運用設計實驗（DOE）來提升採用兩步驟反應離子蝕刻（RIE）製程製備的裝置性能。最初，我們使用JMP DOE軟體設計了一系列實驗。對工藝行為的初步觀察表明，需要調整設計空間。隨著DOE的推進，我們對潛在機制有了更深入的理解，並據此改進了製程化學。
本研究強調了實驗設計方法彈性的重要性，顯示實際實驗可能需要不斷調整實驗方案。最終，我們的工作強調，雖然實驗設計未必總能得出最終的預測模型，但它能夠為理解過程機制提供寶貴的見解，從而有助於改善決策和流程控制。
您好。我叫蓋伊·伯斯坦，是SCD公司製程開發組的研發工程師。 SCD公司專注於紅外線探測器的生產，而反應離子蝕刻（簡稱RIE）是我們生產流程中的重要步驟之一。
在反應離子蝕刻（RIE）製程中，有許多參數可能會影響裝置的性能，例如電感耦合等離子體（ICP）和射頻（RF）功率、溫度、蝕刻時間等等。紅外線探測器的一個重要特性是暗電流。
在這項工作中，我們專注於優化反應離子蝕刻（RIE）參數，以降低暗電流並提升性能。我們的RIE製程包含兩個步驟。憑藉我們的知識和經驗，我們將實驗設計（DOE）簡化為兩個因素：第一階段和第二階段的蝕刻時間。實驗設計限制在九片晶圓內，我們也被要求測試非線性響應。
我們首先在 JMP 的客製化 DOE 設計平台中創建了一個設計空間，然後手動對其進行修改以滿足我們的需求。
我們可以看到，在兩個連續因子和三個水準的情況下，存在因子水準高低及其組合的實驗。此外，還有四個中點和一個中心點。
然而，我們知道，如果第一階段太短而第二階段太長，則很可能會增加暗電流。我們決定將左上角的實驗結果作為另一個中心點。
至於測試結果，我們利用晶圓製作了測試元件。然後我們測量了它們的暗電流，並產生了描述每個測試元件的I-V曲線。我們關注的是穩定區域（稱為平台區）的暗電流值。在該區域內，暗電流變化不大。我們的目標是獲得平台區內最低的暗電流值和盡可能長的平台區。
在完成 DOE 之後，我們計劃進行一個驗證階段，屆時我們將擁有三個晶圓，可以在 DOE 中發現的最佳條件下製造實際的紅外線探測器。
我們開始進行實驗，從初步結果來看，在第二階段持續 15 分鐘的實驗中，暗電流明顯高於持續 10 分鐘的實驗。
此時，我們決定探索更短的蝕刻時間範圍，而不是繼續執行原計劃的20分鐘實驗。我們可以看到，隨著新資訊的出現，我們的設計空間是如何演變的。我們繼續進行實驗並獲得更多結果，此時，我們可以清楚地看到每個因素如何影響我們的實驗結果。
我們可以看到，在第一階段，存在著一個最佳時間，此時平台期最長。但在第二階段，隨著蝕刻時間的減少，暗電流持續下降。
然而，我們無法完全消除這個階段，因此我們必須更深入地思考蝕刻階段對暗電流的影響。最終，我們得出結論，必須改變蝕刻製程的性質。
在反應離子蝕刻（RIE）中，存在兩個同時存在的組成部分。透過改變和調整參數，可以控制刻蝕過程向其中一個方向發展。化學蝕刻部分是指等離子體產生的自由基到達基板表面，發生反應，反應產物蒸發並從蝕刻室排出。物理蝕刻部分是指加速撞擊基板的離子轟擊蝕刻過程。
因此，我們決定採用物理蝕刻而非化學蝕刻。此時，DOE 還剩下一片晶圓，我們用它在相同條件下製作了一個測試元件。事實上，我們在這個測試元件中獲得了整個 DOE 的最佳結果。
接下來進入驗證階段。第一階段，我們沿用了之前找到的最佳蝕刻時間。第二階段，我們使用了三片晶圓，分別蝕刻10分鐘、5分鐘和採用新的蝕刻條件（即增加物理蝕刻量）。我們可以看到，縮短第二階段的蝕刻時間可以降低暗電流。而採用新的蝕刻條件（即增加物理蝕刻量）後，暗電流的下降幅度更大。
總之，本文表明，工程經驗和知識對於選擇合適的因素及其水平至關重要。我們也看到，應保持開放的心態，並根據新資訊的出現隨時調整方案。此外，DOE 不僅是優化流程的強大工具，還能增進對流程的了解與認識。最後，任何 DOE 或實驗的重點都應該是加深對流程的理解，而不僅僅是將數據擬合到圖表中。
我要感謝我的同事協助我完成這些實驗，也要感謝SCD允許我展示這項研究成果。如果您有任何疑問，歡迎在會議上與我聯繫。謝謝。
