方差分析在等離子蝕刻工序中的應用

一、案例背景

在集成電路的許多生產(chǎn)步驟中，晶片被一層材料(如二氧化硅或某種金屬)完全覆蓋。通過對掩模的蝕刻有選擇性地除去不需要的材料，從而創(chuàng)建電路模板、電互連以及必須擴散的或者金屬沉積的區(qū)域。等離子蝕刻工序在這個操作中被廣泛使用，特別是在幾何對象比較小的情況下的應用。下圖展示了一種典型的單晶片蝕刻設(shè)備的重要特征。特此說明：案例來自蒙哥馬利的《實驗設(shè)計與分析》一書。

射頻(RF)發(fā)生器提供能源使得電極之間的間隙產(chǎn)生等離子，等離子體的化學種類是由所使用的特定氣體決定的。碳氟化合物，比如CF4(四氟甲烷)或C2F6(六氟乙烷)，通常被用在等離子蝕刻上。但是根據(jù)應用情況的不同，也常使用其他的氣體或混合氣體。

工程師要研究這套設(shè)備的RF功率設(shè)置與蝕刻率間的關(guān)系。實驗目的是開發(fā)工程師要確定RF功率設(shè)置是否影響蝕刻率。她選定了氣體(C2F6)和間隙(0.80 cm)，想檢驗RF功率的4個水平：160W，180W，200W和220W。她決定在RF功率的每個水平上檢驗5個晶片。

這是一個因子水平為4和重復次數(shù)為5的單因子實驗。這20個試驗都是按照隨機順序進行的。

二、分析之前注意事項

一個好的試驗設(shè)計分析，重點和難點往往不是在如何“分析”它(我相信通過本次案例，您也會借助Minitab做方差分析)，而是在于如何“設(shè)計”這個試驗，如何制定數(shù)據(jù)收集計劃。對于設(shè)計得很差的試驗，你做不了任何分析。你只能搬出具尸體，找出他的死亡原因。

Fisher曾經(jīng)說過設(shè)計一個試驗就像和魔鬼玩機會游戲一樣，你無法預測他會使出什么樣的高招讓你的努力作廢。在單晶片蝕刻中亦是如此，為防止未知討厭變量的影響，隨機化試驗順序是必要的，因為實驗中討厭變量的變化也許會超出控制范圍。從而損害實驗結(jié)果。為了方便大家對隨機化的理解，請參考如下說明圖。

知道了隨機化的重要性，哪如何做到隨機化呢?我發(fā)現(xiàn)很多朋友喜歡按照順序做試驗(先把功率為160的五次試驗做完，再做180的，再做200的，最后再做功率為220的五次試驗)，這就不是我們所說的隨機化順序了。這種按照順序方式做試驗，最后的統(tǒng)計結(jié)論往往會變成管理者會議上的爭論(我會在后續(xù)文章中分享這個故事)。

為了隨機化，我們可以在Minitab中執(zhí)行以下操作：

1.首先我們新建一“標準順序”列，編號從1到20。

計算-生成模板數(shù)據(jù)-簡單數(shù)集

2.計算-生成模板數(shù)據(jù)-任意數(shù)集

3.計算-隨機數(shù)據(jù)-來自列的樣本

我們按照生成的隨機化順序(C3列運行序)做試驗，第一次做功率為160的，第二次做功率為220的……(試驗都做了，錢都花了，就不要想著偷懶了)。

最終，得到以上試驗數(shù)據(jù)(按照隨機化順序做的)。

三、Minitab操作步驟

在這里我們是想對單因子(功率)4個水平(160、180、200、220)下的蝕刻率均值做比較，這里我們可以使用方差分析。

1.路徑：統(tǒng)計-方差分析-單因子

2.Minitab結(jié)果解釋

從“方差分析”表中，我們看到檢驗的P值等于0，小于0.05，故拒絕所有均值都相等的原假設(shè)，從而得到4個功率下蝕刻率均值有顯著差異的結(jié)論。Minitab還同步輸出了下面的區(qū)間圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著功率增大蝕刻率增大。

當然，你也可以進一步做多重比較。

四、小結(jié)

本篇文章著重向大家強調(diào)了試驗中“隨機化”的重要性以及如何安排隨機化試驗，我也希望大家能夠在后續(xù)試驗安排做到隨機化(我知道，這確實不容易)。一個研究所需要的準備工作遠比選擇一個統(tǒng)計設(shè)計重要得多，統(tǒng)計基于你試驗收集的數(shù)據(jù)，它不會撒謊。但如果試驗本身就安排不合理(如沒有隨機化)，利用這個試驗獲得的數(shù)據(jù)執(zhí)行統(tǒng)計分析，那么這時候得到的統(tǒng)計結(jié)論有多少能夠反映實際生產(chǎn)狀況就不得而知了。

審核編輯：湯梓紅