# Lam 自強課程
## Plasma Etching
### Introduction
* Plasma :電漿是物質的第四狀態,含等量正負離子的氣體團。高反應的自由基例子混合物，會被電廠驅使。(產生電漿的方法可使用高溫或高電壓)
* 蝕刻 ：移除晶片表面的特定區域，以沉積其他材料。
* chamber ： 真空室，反應室。專指一密閉的空間，且有特殊的用途、常需對此空間的種種外在或內在環境加以控制。

#### 電漿產生
一開始加入power啓動電子（in chamber），運動之後產生能量運動碰撞之後產生更多離子，到達臨界點之後產生輝光形成plasma。chamber 會一直加入新的氣體。
#### Plasma 種類
* DC 直流電漿 （超高壓，真空，二次電子secondary dominate）
* RF 中間多一個電容，電位隨時改變（利用電子撞擊氣體分子解離ionization dominate）
#### DC Plasma
* 離子濃度低（高耗能），需要靠粒子撞擊產生二次電子，電擊會消耗
電極需要可以導電
#### RF Plasma
* 不需要2次battery，靠collision就ok
* 可應用在非導體
* 會產生bias（離子跑的慢中間跑，電子跑的快兩邊跑）
* 低電伏特就可以了
self-DC-bins 自己產生的

### 電極&chamber的設計
* PE&RIE 電極撞擊方式不同
* MERIE 加入電場
* ICP 電極在chamber外面，靠外加電場產生比較好的解離，高濃度電漿原-》蝕刻率較快，均匀度較好。
* Down Stream mode 微波（震蕩高，濃度多）氣體解離，用於速度快蝕刻。

### 實際介紹 plasma etching application in IC FAB
#### 重要名詞解釋
* Standard Deviation 標準差
* partical 越多代表越髒
* MFC 氣體進去之前，控制氣體穩定度的零件
* Backing Helium Cooling 導熱用
* PM 預防保養
* photo resist 光阻
* Micro loading effect 微量差異（蝕刻量不一樣）
* aspect radio 蝕刻深度與寬度比（越大蝕刻越難）
#### Plasma Etch
蝕刻對象依薄膜種類可分為: poly,oxide,metal
半導體中一般金屬導線材質:鵭線(W)/鋁線(Al)/銅線(Cu)
##### Poly/poly Gate Etch
Poly ETCH主要使用氣體:Cl2, HBr, HCl
##### Oxide etch & Nitride etch
接觸窗(dielectric (介電質蝕刻))
半導體中一般介電質材質：氧化矽/氮化矽

##### Metal etch

##### PR etch
## 先進半導體製程控制技術
FAB廠為了提高產能與良率的解決的方案之一。
### Process
#### Ic Manufacturing Processes
- 嵌層製成
- 圖形化製成->蝕刻製成
- 參雜製成
- 熱製成
#### APC
APC（Advance Process Control） ：先進製程原理:生產過程中用來檢測缺陷

是由SEMI所定義與推廣的技術，通常包括下列項目：R2R（批次控制；Run-to-run control）、FDC（故障偵測與分類；Fault Detection and Classification）、OEE（Overall Equipment Efficiency）、e-Diagnostic等等。凡是基於製程機台設備所收集的製程時序性資料，再參考其他來源資料（例如排程、量測機台量測值、Yield、WAT等），並以提升良率或產能為目的所設計的系統都視為APC系統。

EHMS 半導體通訊系統
及時偵測機台現況與設備通訊
1. 減少廢片產生。
2. 了解機台現狀。
3. 利用APC系統，產能增加。
4. 避免錯誤，行能提升。
5. 減少成本。
#### 設備通訊 protocol

| Application |
|:-------------:|
| SECS-II |
| SECS-I & HSMS(TCP/IP) |

- 通訊階層

| layer name | work |
|:--------------:|:------------------------:|
| Data format | Data格式 |
| Transtion | 訊息type(主要msg or ack) |
| Message(SEC-I) | 傳送&接收 |
| Block | 以封包形式傳送 |
| Physical | 連線 |

- Block Format

| LHT(1b) | Hearder(10b) | Text(0-244b) | CHK(2b) |
|:-------:|:------------:|:------------:|:---------:|
| 多長 | target | data | Check Sum |

- 常見訊號

| Name | Hex | Function | S\R |
| ---- | --- | ------------------ | ------- |
| ENQ | 05 | 詢問是否能傳data了 | ->可以? |
| EOT | 04 | 回復可以send | <-可以 |
| ACK | 06 | 正確receive | <-收到 |
| NAK | 15 | 沒收到訊息 | <-eroor |

- timeout 錯種種類
-- timeout1 : 規範封包內每個字元之間的傳送時間。
-- timeout2 : 一個封包傳送之後必須要在t2的時間內完成得到回應
-- timeout3 : ACK之後回復主訊息，在t3時間內要進行回復主訊息
-- timeout4 : 如果一個訊戲裡包括很多個封包，每個封包之間都要在t4的時間內傳出去。

- SECS-II 規劃訊息格式
-- 通常奇數funtion code-> 主訊息
-- 偶數 -> 回復主訊息
### 故障偵測技術
#### 簡介
故障 ：機台特性產生不正常的改變導致製成結果產生變異。
目標 ：及時發現問題，提升良率以及產能。
- model base 故障偵測技術：
`找出參數之間的相關性,做成model`
1. 建立model製成模型，利用數學原理定義關係（model）
- 數學model
* -- 以數學方程式來表示。
--- 綫性
--- 非綫性
* -- 黑盒子
--- 綫性
時間序列 or 轉換方程
--- 非綫性
- 統計model
* -- 機率
* -- 關聯性描述model

Fault detection
- Hardware redundancy
在機臺理面對容易發生故障的感測器，以兩份的硬體來做偵測。
-> 造成機臺空間加大成本加大。
- Analytical redundnacy
利用電腦運算，建立數學model來進行故障預測。推測出會產生什麽出來（得到產值）與真正的產值比較。residual評估看，會不會alarm，來及時進行維修。
`residual ：實際製成與model預測的該變量`
`fault ：來看會不會alarm`

正常製成標準差會差不多，找出人為的可改善的部分
找出 平均值 or 標準差 的變異，讓製成回復正常。
利用圖形來查看有沒有超出管制圖之外。
* 99.73%會落在+-3（sigma）之内，利用統計的方式來找出可能錯誤的地方。
#### 如何判斷故障
##### Shewhart Chart
1. 偵測資料超出3個sigma之外，找出原因。
2. 都在上下限之内，但三個點中有兩個連續點都在randA（sigma3）的時候，故障即將發生趨勢。
3. 在5個點中有四個連續點在randB（2）。
4. 有9個點連續點在平均數的同一邊。
5. 有連續6個點持續上升or下降。
6. 有連續14點不斷在中心點產生震蕩。
7. 連續15點分別再中心點外面震蕩？？

##### CuSum
特別針對緩慢飄逸的現象來進行偵測

##### 多變量管制圖 SPC管制圖
將多個重要的參數放在一起比較
- 每個參數要在常態分佈的幾率之下
- 前一個rand與下一rand無關係
- 必要（IIND）先利用時間序列關聯性來處理得到產值之後在用SPC來判斷。

##### 類神經判斷系統
輸入 ：將時間點之間的值的變化。（走勢）
輸出 ：下一個產生的變化的趨勢。
要學習他的趨勢（前後的差量）
* 如何分析
- RBF model
飄逸現象 -> 利用趨勢容許漂移現象。
recipe改變 -> 不管設定值差量多少前後差距不要太大就OK
利用殘差值做均方根，設定平均值指定管制圖，計算殘差之之後，來判斷有沒有故障。
及時進行機臺檢查。

### Run-to-Run 控制
#### 架構
##### Open-loop Control
set point -> controller -> actuator -> process -> output
##### Colsed-loop Conrtol
#### 定義
每次對recipe評斷以及改變需要一個run。
利用工程師的經驗來改變製成的控制，及時對配方改變來達到穩定的情況。
##### CMP
結合化學反應以及
化學機械研磨目的：全面性平坦化技術
wafer to wafer 每片的均匀性。
#### EWMA（exponentially weighted moving average）指數加權平均
可以偵測比較小的變異,可以去預測下一個時間的製成平均值，可以拿來做控制的用途。
- 運用在run-to-run 控制
- 利用實驗設計來建立綫性數學預測模型
- 利用估測來更新model
#### Photolithography 微影叠對
步驟
1. 去水塗底
2. 光阻塗上
3. 軟烤
4. 對準曝光 most important
5. 附後烤
6. 顯影 把不必要的部分移除
7. 硬烤
8. 檢查
- interfield error
沒對準等等誤差

總結 ：提高品質，良率，減少成本
目的 ： 故障偵測，及時排除設備維修時間，在半導體設備，牽涉物理與化學，儅drift現象發生時，能夠改善。

## 蝕刻技術(Etching)
減的過程，把不要的地方拿掉。
補充:
* Seasoning(陳化處理):是在蝕刻室的清凈或更換零件後，為要穩定製程條件，使用仿真（dummy）晶圓進行數次的蝕刻循環。
### 背景簡介
蝕刻是將材料使用化學反應或物理撞擊作用而移除的技術。
#### 種類
利用微影技術將我們要的pattern轉印到薄膜沉積再進行蝕刻。
- 乾式蝕刻 （無水環境）非等向性蝕刻
- 濕式蝕刻
不同的蝕刻形式
透過蝕刻出來的幾何形狀來定義，用途不一樣
1. 等向性蝕刻（Isotropic），蝕刻速率沿著各個方向進行（最完美=半圓形）
* 優點 ：便宜
* 缺點 ：開口比定義的還大，造成喪失尺寸精確性
2. 非等向性蝕刻(Anisotropic Etching) ：蝕刻速率不一樣
* 優點 ：具有很好的方向性(Directional Properties)
* 缺點 ：比濕蝕刻較差的選擇性(Selectivity)

#### Etch Parameters
* Etch rate 蝕刻速率
* Etch Selectivity 蝕刻選擇比:不同材質之蝕刻率比值
* Etch Geometry 蝕刻幾何形狀

#### 蝕刻誤差
* Under-etching(蝕刻不足):指被蝕刻材料，在被蝕刻途中停止造成應被去除的薄膜仍有殘留
* overetching :蝕刻過多造成底層被破壞

### 過程介紹
1. 產生etchant species
2. 擴散
3. adsorption 吸收
4. 化學反應（將不要的部分蝕刻掉）
5. Desorption 把反應之後的生成物移除
6. 移除的東西擴散

- 反應速度最慢的步驟 -》 point
影響蝕刻速率的變因
1. setup
* 溫度
* 照光
* 污染
。。。
2. 材料
* 構成材料的材質
* 顯微結構（大小，形狀）
* 殘留硬力 film stress
3. 排列以及結構
* 表面積大小
* 分佈 loading effect
* 結構的幾何形狀

### 溼式蝕刻（wet etching）
利用化學溶液出去晶片上不要的部分，完成后由溶液帶走腐蝕物。
Merit： 經濟方便
Demerit ： 尺寸失真
* 常用蝕刻物質 : 酸
* 對象:SI，SIO2，PR，AL，
* rate 不同物質不同酸化物質下，變化非常大。
* 選擇性 ： 比乾式優。因爲是化學反應
* 等向性蝕刻通常用於多基因結晶等各有各的領域
HF for Sio2 （要用塑膠瓶，HF會蝕刻掉玻璃，AL）
* HF 要用低濃度 （吸到很危險）
* 擴散率很快
* 很危險記得帶手套，面罩
HNA for Si etch(HNO3&HF&acid)

### 非等向性蝕刻（Anisotropic Etching）
result：方向不一樣
#### miller index
晶格的方向，
點：【1，0，0】
面：（1，1，0）
#### 結果
產生很多種類的幾何形狀

### 乾式蝕刻
#### 簡介
使用氣體分子+電漿來進行（物理+化學）
#### 以氣向來實行的乾式蝕刻法
XeF2 -》 Xe-》F 來進行乾蝕刻（為等向性蝕刻）
* 若有水氣反應會不一樣（失去精確性）
蝕刻物質為中性，化學
#### 以電漿來實行的乾式蝕刻法
plasma 電漿（物質第4態，内部電子游離化，複雜的混合物）
* dissociation 接受電子撞擊，游離丟出一個F
* ionization 踢出e-，（離子化）
* dissociative ionization 接受電子撞擊，丟出一個F&e-（前兩步綜合體）
* Excitation 接受電子撞擊，接受電子能量變爲激發態（CF4* 有星星）
* Recombination 再結合，帶電粒子與F結合回到最初狀態，or F+F = F2
理想是能夠被抽走的氣體
RF ：frequencies 13.56MHz
cathode（陰極）放試片

* 中性物質蝕刻（等向，化學）outter cut
- 選擇性好，控制力不加
* 帶電離子 （非等向性）利用電場加速對單一方向加强
- 控制力良好，對mask波懷力增加要好好選mask
- 結合物理&化學蝕刻
* RIE
* deep RIE

#### 針對不同乾式蝕刻法的環境與壓力



#### 面對的問題

#### CPM （chemical mechanical polishing ）化學機械研磨機
主要處理銅（無法用乾式），可以讓表面便很平
Tungsten 氧化物
爲什麽要用Cu取代Al
1. 導電性良好，降低損耗
2. 電阻低，運算度提升
##### 爲什麽要很平
* 平坦度與奇曝光度有關，影響解析度

#### 總結