การหาค่าพารามิเตอร์ในการ ...332...

332

วารสารวิชาการพระจอมเกล้าพระนครเหนือ ปีที่ 20 ฉบับที่ 2 พ.ค. - ส.ค. 2553 The Journal of KMUTNB., Vol. 20, No. 2, May. - Aug. 2010

1 นักศึกษา ภาควิชาวิศวกรรมอุตสาหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี 2 ศนูยเ์ทคโนโลยอีเิลก็ทรอนกิสแ์ละคอมพวิเตอรแ์หง่ชาต ิและสาขาวชิาวศิวกรรมอเิลก็ทรอนกิส ์สถาบนัเทคโนโลยี

พระจอมเกลา้เจา้คณุทหารลาดกระบงั 3 อาจารย์ ภาควิชาวิศวกรรมอุตสาหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี 4 อาจารย ์สาขาวชิาวศิวกรรมอเิลก็ทอรนกิส ์คณะวศิวกรรมศาสตร ์ สถาบนัเทคโนโลยพีระจอมเกลา้เจา้คณุทหารลาดกระบงั * ผู้นิพนธ์ประสานงาน โทรศัพท์ 0-2470-9172 ต่อ 5302 E-mail: [email protected]

การหาค่าพารามิเตอร์ในการเคลือบฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์

ด้วยกระบวนการเคลือบไอเคมีโดยอาศัยพลาสมา

Parameter Finding in Silicon Nitride Thin Film Deposition

by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) Process

รัตนพันธ์ุ นพเก้า1 ธงชัย ธงวิจิตรมณี2 เจริญชัย โขมพัตราภรณ์3* อัษฎา จิรประยุกต์เลิศ3 และ วิสุทธิ์ ฐิติรุ่งเรือง4

บทคัดย่อ งานวิจัยนี้มีจุดประสงค์เพื่อหาสภาวะในการปรับ

ตั้งค่าพารามิเตอร์ของการเคลือบฟิล์ม ในกระบวนการเคลือบฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์ด้วยไอเคมีโดยอาศัยพลาสมา (Plasma Enhanced Chemical Vapor

Deposition: PECVD) ซึ่งฟิล์มที่ได้ต้องสามารถกันความชื้นได้ งานวิจัยนี้เกี่ยวข้องกับการผลิตอุปกรณ์วัดแรงดันเลือดในหัวใจ จากรายงานการทดสอบอุปกรณ์ตรวจวดั (Sensor) ในอปุกรณด์งักลา่วพบวา่ ไมส่ามารถทำงานได้ถูกต้องเมื่ออยู่ในของเหลว ในเบื้องต้นพบว่าฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์ที่เคลือบผลิตภัณฑ์ไม่สามารถกันความชื้นได้ สันนิษฐานว่าเนื่องจากโครงสร้างพันธะทางเคมีของฟิล์มมีความบกพร่อง งานวิจัยนี้ประยุกต์แนวทางการออกแบบการทดลอง โดยใช้ค่าดัชนีหักเหทางแสงของฟิล์มเป็นตัวชี้วัด ผลการทดลองแสดงว่าปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อดัชนีหักเหทางแสงอย่างมีนัยสำคัญมี 6 ปัจจัย คือ 1) ระยะห่างระหว่างฐานรองเวเฟอร์กับก๊าซชาวเวอร์ 2) กำลังของคลื่นวิทยุ 3) ความดันภายในแชมเบอร์ 4) อัตราการไหลของก๊าซไซเลน 5) อัตราการไหลของก๊าซแอมโมเนีย 6) อุณหภูมิที่ใช้ในการสร้าง

ฟิล์ม ตัวแบบความสัมพันธ์ระหว่างปัจจัยทั้ง 6 และดัชนีหักเหทางแสงเป็นแบบไม่เชิงเส้นตรง จากนั้นนำตัวแบบที่ ได้มาพิจารณาร่วมกับค่าเปอร์ เซ็นต์ความสม่ำเสมอของฟิล์ม ทำให้สามารถเลือกสภาวะการปรับตั้งพารามิเตอร์ในการเคลือบฟิล์มได้ 5 สภาวะ หลังจากนั้นนำสภาวะที่เลือกมาทดสอบการกันความชื้นของฟิล์มผ่านการทดสอบการทนแรงดันพัง (Breakdown

Voltage) พบว่าสภาวะในการเคลือบฟิล์มที่ใช้ในการผลิตเดิมสามารถกันความชื้นดีกว่าสภาวะใหม่ที่ได้จากการทดลอง

คำสำคัญ: การเคลือบฟิล์ม การเคลือบด้วยไอเคมีโดย

อาศัยพลาสมา การออกแบบการทดลอง

Abstract

The objective was to identify the proper setting

of the parameters that affected water passivity

property of silicon nitride thin film during the

Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition

(PECVD) process. This research was a study of the

รับเมื่อ 24 กันยายน 2552 ตอบรับเมื่อ 22 มีนาคม 2553

333


production of blood pressure measuring sensors.

The customer report revealed that the sensors did

not properly work when immerged in liquid. A

primary investigation showed that the silicon nitride

film deposited on the surface of a blood pressure

measuring sensor lacked of passivity property,

possibly caused by the chemical structure of the film

itself. Design of Experiment was applied to this

research study. The main response variable was the

reflective index of the film. The experiments

revealed 6 significant factors which were 1) the

distance between the wafer base and shower gas,

2) radio frequency (RF) power, 3) chamber pressure,

4) SiH4 flow rate, 5) NH3 flow rate, and

6) temperature. The results also showed nonlinear

relationship between the factors and the reflective

index. Five parameter settings were selected based

on the relationship model and the uniformity value

obtained from previous experiments to conduct film

deposition experiments. The experiments showed

that the film obtained from these experiments did

not have the expected water passivity.

Keywords: Film Deposition, Plasma Enhancement

Chemical Vapor Deposition, Design of

Experiments

1. บทนำ

องค์กรกรณีตัวอย่างได้ทำข้อตกลงกับลูกค้าจากตา่งประเทศในการพฒันาและผลติอปุกรณว์ดัความดนัในหลอดเลือดหัวใจ (Blood Pressure Sensors) [6] จากรายงานการทดสอบผลิตภัณฑ์ของลูกค้าพบว่า อุปกรณ์วัดความดันในหลอดเลือดหัวใจมีความบกพร่อง คือไม่ทำงานในของเหลว ทางองค์กรในกรณีตัวอย่างจึง ตรวจสอบและวิเคราะห์สาเหตุเบื้องต้น พบว่าเป็นความบกพร่องในการกันน้ำของชั้นฟิล์มซิลิกอนไนไตรด ์ ซึ่ง

เปน็ชัน้ฟลิม์ปกคลมุโครงสรา้งทัง้หมดของอปุกรณ ์ฟลิม์นี้ทำหนา้ทีป่อ้งกนัสิง่ปนเปือ้น รอยขดีขว่น และความชืน้

ปั จจุบันการสร้ างฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์ เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นในอุณหภูมิสูงเกิน 400°C ซึ่งก่อความเสียหายต่ออุปกรณ์วัความดันในหลอดเลือดได้ องค์กรในกรณีศึกษาจึงทำการค้นคว้าจนพบว่าสามารถใช้กระบวนการเคลือบไอเคมีโดยพลาสมา (PECVD) แทนได้ หลังจากทำการผลิตด้วยกระบวนการ PECVD พบความบกพร่องในการกันน้ำ

Yoon [1] แสดงในงานวิจัยว่า การที่ฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์ไม่สามารถกันน้ำได้เป็นผลมาจากพันธะทางเคมีของฟิล์มไม่บริสุทธิ์เพียงพอ ส่งผลให้พันธะของฟิล์มไม่แน่นหนา ความชื้นหรือของเหลวสามารถซึมผ่านได้ ซึ่งพันธะทางเคมีที่ไม่บริสุทธิ์เพียงพอมาจากค่าพารามิเตอร์ของปัจจัยในการผลิตไม่ถูกต้อง

งานวิจัยนี้จึ งมุ่ งสร้างฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์ที่สามารถกันน้ำได้ โดยการหาระดับการปรับตั้งพารามเิตอรข์องปจัจยัในการผลติหรอืสตูร (Recipe) งานวจิยันี้นำเสนอแนวทางในการประยุกต์วิธีทางสถิติในการ แก้ปัญหา (Statistical Problem Solving)

2. วิธีการวิจัย

การแก้ปัญหาโดยกลวิธีทางสถิติมีหลายขั้นตอน [2] รายละเอียดเพิ่มเติมสามารถค้นหาจาก [5], [7] สำหรับงานวิจัยนี้ได้แบ่งขั้นตอนการดำเนินงานเป็น 4 ขั้นตอนคือ

2.1 กำหนดหัวข้อปัญหา (Problem Statement)

2.2 การสำรวจสภาพปัจจุบัน 2.2.1 ศึกษาผลิตภัณฑ์ กรรมวิธีการผลิต และ

วรรณกรรมที่เกี่ยวข้อง 2.2.2 กำหนดตัวแปรตอบสนอง (Response

Variables) ทีเ่หมาะสม และสรา้งวธิกีารทดสอบทีเ่หมาะสม 2.2.3 ตั้งสมมติฐานของงานวิจัย คือกำหนดสาเหตุ

ทีค่าดวา่สง่ผลตอ่ปญัหา โดยสบืคน้จากวรรณกรรมในอดตี 2.3 การวเิคราะหห์าสาเหตทุีส่ง่ผลตอ่ปญัหา ทดสอบ

สมมตฐิานโดยอาศยัการทดลองและเครือ่งมอืทางสถติดิงันี้

334


2.3.1 คัดกรองปัจจัย (Screening Experiment) ที่สง่ผลตอ่ปญัหาดว้ยการออกแบบการทดลอง (Design of

Experiment) ประเภท 27-4 III แบบซำ้เดยีว (Single Replicate)

2.3.2 สร้างตัวแบบความสัมพันธ์ (Model) มี 2 ขั้นตอน คือ 1) การวิเคราะห์ความเป็นเชิงเส้น (Linearity) โดยการออกแบบการทดลองเพิม่จดุกึง่กลาง (27-4 III with Center Points) 2) หาตัวแบบความสัมพันธ์ดว้ยการทดลองแบบ Central Composite Design (CCD)

2.3.3 สร้างตัวแบบความสัมพันธ์ และหาสภาวะที่เหมาะสมในการเคลือบฟิล์ม

2.4 การกำหนดมาตรการโต้ตอบ โดยนำการผลจากขั้นตอนที่ 3 มานำเสนอมาตรการแก้ปัญหา และติดตามผลการแก้ปัญหา

3. ผลการดำเนินงานวิจัย 3.1 การกำหนดหัวข้อปัญหา

งานวิจัยนี้ศึกษาอุปกรณ์ตรวจวัดความดันเลือดสำหรับผู้ป่วยโรคหัวใจ เนื่องจากผลิตภัณฑ์นี้ เป็นผลิตภัณฑ์หลักขององค์กรกรณีศึกษา จากคำร้องเรียนของลูกค้าพบว่า จำนวน 10% ของอุปกรณ์ที่ลูกค้าทดสอบทั้งหมดไม่สามารถปฏิบัติงานได้ตามข้อกำหนดในสภาวะของเหลวดังแสดงในรูปที่ 1

จากข้อกำหนดของอุปกรณ์ตรวจวัดความดันหลอดเลือดต้องสามารถวัดค่าความดันได้โดยมีค่าเบี่ยงไม่เกิน 5 mm.Hg. ในระยะเวลา 50 นาที ผลการทดสอบพบว่าอุปกรณ์วัดความดันจำนวน 10% ของอุปกรณ์ทั้งหมดที่ตรวจวัดมีพฤติกรรมไม่ตรงตามข้อกำหนด รูปที่ 1 แสดงอุปกรณ์สามารถทำงานได้ตรงตามข้อกำหนดเมื่อใช้งานในอากาศ แต่เมื่อใช้งานในของเหลวพบว่าอุปกรณ์มีความเบี่ยงเกิน 5 mm.Hg.

ปัญหานี้เป็นข้อร้องเรียนที่มีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องด้วยอุปกรณ์ที่ศึกษาเป็นอุปกรณ์วัดความดันหลอดเลือดในหัวใจ อุปกรณ์ต้องทำงานได้อย่างถูกต้องในของเหลว งานวิจัยจึงมุ่งหาแนวทางที่ทำให้อุปกรณ์ตรวจวัดความดันหลอดเลือดสามารถปฏิบัติงานได้ตรงตามข้อกำหนดในของเหลว

3.2 การสำรวจสภาพปัจจุบัน ปัญหาของงานวิจัย คือ อุปกรณ์วัดความดันเลือด

ไม่สามารถปฏิบัติงานได้ตามข้อกำหนดในของเหลว การศึกษาเริ่มจากศึกษาโครงสร้างของอุปกรณ์ตรวจวัดความดันเลือด รูปที่ 2 และ 3 แสดงส่วนของอุปกรณ์วัดความดันเลือดก่อนและขณะใช้งาน พบว่าในขณะ

รูปที่ 2 อุปกรณ์วัดความดันเลือดก่อนบรรจุลงไกด์วายร์

รูปที่ 3 อุปกรณ์วัดความดันเลือดเมื่อบรรจุลงไกด์วายร์

รูปที่ 1 ผลการทดสอบอุปกรณ์วัดความดันเลือดในอากาศและในของเหลว

335


ทำงานอุปกรณ์ความดันเลือดจะถูกบรรจุลงในไกด์วายร์ (Guide Wire) โดยส่วนของเซนเซอร์ตรวจวัดจะสัมผัสกับอากาศหรือของเหลวโดยตรง ดังนั้นความบกพร่องที่เกิดขึ้นจึงมาจากความไม่สามารถกันน้ำได้ของตัวเซนเซอร์ในอุปกรณ์วัดเอง จากโครงสร้างของเซนเซอร์อุปกรณ์ตรวจวัดความดันนั้นประกอบด้วยหลายองค์ประกอบย่อยหลายชั้น และผิวชั้นบนของเซนเซอร์คือฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์ ซึ่งมีหน้าที่ป้องกันการขีดข่วนและความชื้นให้กับตัวอุปกรณ์ จึงสรุปได้ว่าความบกพร่องการกันน้ำได้ของเซนเซอร์มาจากความไม่สามารถกันน้ำได้ของฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์ดังกล่าว

Yoon [1] แสดงในงานวิจัยว่าฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์ที่มีพันธะทางเคมีไม่สมบูรณ์จะมีรูเกิดขึ้น และรูดังกล่าวโตเพียงพอที่จะทำให้ความชื้นเข้าสู่ตัวอุปกรณ์วัดได้ ในขณะที่พันธะของซิลิกอนไนไตรด์ที่บริสุทธิ์จะมีความหนาแน่นสูงจนความชื้นหรือของเหลวไม่สามารถผ่านได้ สรุปว่าปัญหางานวิจัยที่เกิดขึ้นมาจากพันธะทางเคมีของฟิล์มที่ผลิตได้ไม่ใช่ซิลิกอนไนไตรด์บริสุทธิ์ ส่งผลให้เกดิร ูและกอ่ใหเ้กดิความไมส่ามารถกนันำ้ไดข้องเซนเซอร์

การทดสอบความสามารถการกันน้ำได้ของฟิล์มยังเป็นข้อจำกัดในประเทศไทย จึงจำเป็นที่ต้องสร้างวิธีการทดสอบที่สามารถเทียบเคียงกับการทดสอบการปฏบิตังิานในของเหลว การทดสอบเทยีบเคยีง คอืวดัผา่นความสามารถทนแรงดนัพงัของฟลิม์ การทดสอบเริม่จากสรา้งโครงสรา้งชัน้โลหะขึน้บนแผน่เวเฟอร ์แลว้เคลอืบดว้ยฟิล์มประเภทเดียวกับอุปกรณ์ตรวจวัดแรงดันเลือดในหัวใจ หลังจากนั้นจึงนำไปทดสอบแรงดันพังดังรูปที่ 4

ผลการทดสอบแรงดนัพงัแสดงวา่ฟลิม์ทีส่รา้งภายใต้เงื่อนไขเดียวกับฟิล์มที่ส่งมอบลูกค้าสามารถทนแรงดันไฟฟ้าได้ 5 โวลต์ หมายความว่าสภาพความแน่นหนาของพันธะทางเคมีของฟิล์มที่สร้างให้ลูกค้าส่งผลให้สามารถทนแรงดันพังได้ 5 โวลต์ ซึ่งความสามารถทานแรงดันพังนี้ถือเป็นข้อกำหนด (Baseline Level) ของสภาพความแน่นหนาของพันธะทางเคมีของฟิล์มที่ผลิตได้ในปัจจุบัน แต่ที่ระดับดังกล่าวยังพบว่าอุปกรณ์บางส่วนไม่สามารถปฏิบัติงานได้ตามข้อกำหนดในสภาวะ

ของเหลว ดังนั้นฟิล์มที่ต้องการจึงควรทนแรงดันพังได้สูงกว่า 5 โวลต์ โดยเชื่อว่าที่ระดับดังกล่าวส่งผลให้ฟิล์มสามารถกันน้ำได้ดีขึ้น

สรุปได้ว่า งานวิจัยนี้มุ่งแก้ปัญหาความไม่สามารถกันน้ำของฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์บนเซนเซอร์วัดความดันเลือด โดยวัดความสามารถกันน้ำได้ผ่านการทดสอบแรงดันพัง เนื่องด้วยถ้าฟิล์มที่สร้างได้เป็นฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์บริสุทธิ์จะมีความหนาแน่นของพันธะสูงจนน้ำไม่สามารถผ่านได้ และส่งผลให้สามารถทนแรงดัน พังได้สูงด้วยเช่นกัน การแก้ปัญหาดังกล่าวต้องให้ความสนใจตอ่กระบวนการทีก่อ่ใหเ้กดิปญัหา กระบวนการ ที่สร้างพันธะทางเคมีของฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์นั้นคือ ขั้นตอนการสร้างฟิล์ม พันธะของฟิล์มที่บริสุทธิ์ขึ้น กบัการปรบัตัง้พารามเิตอรใ์นการสรา้งฟลิม์ ดงันัน้แนวทางการแกป้ญัหาจงึเปน็การหาสตูรในการปรบัตัง้พารามเิตอร์ในการผลติฟลิม์ทีท่ำใหฟ้ลิม์สามารถทนแรงดนัพงัไดส้งู

3.3 การวิเคราะห์หาสาเหตุ

ในการวิเคราะห์หาสาเหตุของปัญหาเริ่มต้นจากการศึกษาจากวรรณกรรมที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตฟิล์มด้วยไอเคมีโดยอาศัยพลาสมา (Plasma

Enhanced Chemical Vapor Deposition Process:

PECVD) และกระบวนการสร้างฟิล์มถึงปัจจัยต่างๆ โดยปัจจัยที่เกี่ยวข้องและระดับของปัจจัยแสดงในรูปที่ 5 และตารางที่ 1

รูปที่ 4 การต่ออุปกรณ์เพื่อทดสอบแรงดันพัง

336


ตารางที่ 1 ปัจจัยที่คาดว่าจะส่งผลต่อปัญหา [1], [3], [4]

ประเภทของปัจจัย หน่วยมาตรฐาน ระดับพารามิเตอร์ในการทดลอง

Low High

1. อัตราการจ่าย ก๊าซไซเลน (SiH4) Sccm 60 240

2. อัตราการจ่าย ก๊าซแอมโมเนีย (NH3) Sccm 40 80

3. ก๊าซ ไนโตรเจน (N2) Sccm 2500 3500

4. แรงดันภายในท่อ (Pressure) Torr 3 7

5. ความถี่ อาร์เอฟ (RF Power) W 200 500

6. ระยะห่างของแผ่นเวเฟอร์ กับชาวเวอร์จ่ายก๊าซ (Gap) mm. 300 500

7. อุณหภูมิ (Temperature) °C 150 350

รูปที่ 5 แผนภาพหลักการทำงานของการปลูกฟิล์มด้วยไอเคมีโดยอาศัยพลาสมาโดยสังเขป

หลังจากศึกษาปัจจัยที่อาจส่งผลต่อการเกิดพันธะเคมีของฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์ การพิสูจน์ว่าปัจจัยใดเป็นสาเหตุนั้นจำเป็นต้องอาศัยการทดลอง และการทดสอบแรงดันพังนั้นไม่สามารถเป็นตัวแปรตอบสนองในการทดลองได้ เนื่องจากเป็นการทดสอบแบบทำลายและใช้เวลาในการสร้างนาน ในการทดลองเพื่อพิสูจน์สาเหตุ จึงต้องอาศัยตัวแปรตอบสนองอื่นๆ ตัวชี้วัดคุณสมบัติของฟิล์มในอุตสาหกรรมการผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำโดยทัว่ไปนัน้ จะเลอืกตวัชีว้ดัโดยพจิารณาจากคณุสมบตั ิ ต่างๆ ของฟิล์มดังตารางที่ 2

คุณสมบัติเหล่านี้ล้วนเป็นตัวชี้วัดคุณภาพของฟิล์ม จากการพิจารณาถึงค่าใช้จ่ายในการวัดและ

คุณสมบัติที่เหมาะสมสำหรับเป็นตัวชี้วัดคุณภาพของฟิล์ม จึงมีตัวชี้วัดที่เหมาะสมในการพิจารณาสำหรับงานวิจัยอยู่ เพียง 2 ตัวชี้วัด คือดัชนีหักเหทางแสง (Refractive Index) และความหนาสม่ำเสมอของชั้นฟิล์ม (% Thickness Uniformity) และจุดมุ่งหมายของงานวิจัยนี้คือสามารถบ่งชี้สภาวะการทดลองที่เหมาะแก่การสร้างฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์ จึงใช้ดัชนีหักเหทางแสงเป็นตัวชี้วัดที่ใช้ในงานวิจัยเพื่อบ่งชี้ชนิดฟิล์มที่สร้างได้ในแต่ละสภาวะของการทดลอง หลังจากที่ได้ศึกษากระบวนการเคลอืบฟลิม์ เพือ่วเิคราะหห์าสาเหตขุองปญัหาที่เป็นไปได้ทั้งหมดแล้ว จึงทำการทดลองเพื่อคัดกรองหาปัจจัยที่ส่งผลต่อค่าดัชนีหักเหทางแสง

337


3.3.1 การทดลองเพื่อคัดกรองปัจจัย เนื่องด้วยปัจจัยที่คาดว่าเป็นสาเหตุมีถึง 7 ปัจจัย

การออกแบบการทดลองสำหรับการศึกษาแต่ละปัจจัยและอิทธิพลร่วม (Interaction Effects) ไปพร้อมกันนั้นทำให้เสียค่าใช้จ่ายสูงมาก ในการศึกษานี้เลือกใช้การทดลอง 27-4 III แบบซำ้เดยีว (Single Replicate) เนือ่งจากในขั้นตอนนี้ต้องการค้นหาปัจจัยที่ส่งผลต่อค่าดัชนีหักเหทางแสงโดยไม่สนใจอิทธิพลร่วม (Interaction

Effects) ประกอบกับการทดลองแต่ละการทดลองใช้เวลานานจึงออกแบบการเก็บข้อมูลเป็นแบบซ้ำเดียวเพือ่ใหก้ระทบตอ่การผลติขององคก์รทีศ่กึษาใหน้อ้ยทีส่ดุ การวิเคราะห์ผลการทดลองแสดงในรูปที่ 6

จากรูปที่ 6 พบว่า ปัจจัยทุกตัวไม่ส่งผลต่อค่าดัชนีหักเหทางแสง แต่เนื่องจากการทดลองของงานวิจัยที่ผ่านมายืนยันว่าปัจจัยต่างๆ ส่งผลต่อค่าดัชนีหักเหทางแสง [1], [3], [4] ผนวกกับก๊าซไนโตรเจนเป็นก๊าซเฉื่อยที่มีหน้าที่พาก๊าซประเภทต่างๆ เข้าและออกจากระบบ ด้วยเหตุผลดังกล่าวผู้วิจัยจึงทำการลดรูปตัวแบบ (Reduced Model) โดยตัดปัจจัยอัตราการไหลของไนโตรเจนออก ผลการวิเคราะห์ใหม่ดังแสดงในรูปที่ 7

จากรูปที่ 7 ผลการวิเคราะห์หลังจากทำการลดรูปปัจจัยอัตราการไหลของไนโตรเจน พบว่าทุกปัจจัยที่เหลือมีผลต่อค่าดัชนีหักเหทางแสงของฟิล์มอย่างมี

รูปที่ 6 การวิเคราะห์ผลการทดลองเพื่อคัดกรองปัจจัย

รูปที่ 7 ผลการวิเคราะห์การคัดกรองปัจจัยหลังการลดรูปปัจจัยอัตราการจ่ายไนโตรเจน

ตารางที่ 2 ตัวชี้วัดและข้อจำกัดในการวัดภายในองค์กรกรณีศึกษา

ประเภทคุณสมบัติ ตัวชี้วัด ความหมาย ของตัวชี้วัด ข้อจำกัด ในการวัด ค่าเป้าหมาย

คุณสมบัติทางแสง ดัชนีหักเหทางแสง (Refractive Index) ค่าบ่งชี้ความเป็นฟิล์ม

ชนิดนั้นๆ เช่น ซิลิกอน

ไนไตรด์

สามารถวัดได้ในองค์กร

กรณีศึกษา

1.8-2.3

คุณสมบัติทางเคมี พันธะทางเคมี (Chemical Bonding) ประเภทของพันธะเคมี ไม่มีเครื่องมือวัดภายใน

ประเทศ

-

คุณสมบัติ

ทางกายภาพ

การกันน้ำ (Moisture Permeation) ความสามารถในการกัน

น้ำของฟิล์ม

ไม่มีเครื่องมือวัดภายใน

ประเทศ

-

ความหนาสม่ำเสมอของชั้นฟิล์ม (% Thickness Uniformity)

ความหนาสม่ำเสมอ

ฟิล์มทั้งแผ่นเวเฟอร์

สามารถวัดได้ในองค์กร

กรณีศึกษา

≤ 3

338


นัยสำคัญที่ระดับความมีนัยสำคัญ 0.05 (P-value

< 0.05) ดังนั้นจึงสามารถสรุปได้ว่าปัจจัยที่ส่งผลต่อค่าดัชนีหักเหทางแสงมี 6 ปัจจัย คืออัตราการจ่ายก๊าซ ไซเลน (SiH4) อัตราการจ่ายก๊าซแอมโมเนีย (NH3) แรงดันภายในทอ่ ความถีอ่ารเ์อฟ ระยะหา่งระหวา่งแผน่เวเฟอรแ์ละชาวเวอร์จ่ายก๊าซ และอุณหภูมิ

3.3.2 การทดลองเพื่อทดสอบความเป็นเชิงเส้นของตัวแบบ

งานวจิยันีค้น้หาตวัแบบความสมัพนัธร์ะหวา่งปจัจยัต่างๆ กับค่าดัชนีหักเหทางแสง จึงทดสอบความเป็น เชงิเสน้ (Nonlinear Relationship) กอ่นการวเิคราะหต์อ่ไปโดยใชต้วัแบบการทดลองแบบ 26-3 แฟคทอเรยีลแบบมจีดุกึ่งกลาง (26-3 Factorial Design with Center Points) เนื่องจากผลการทดลองก่อนหน้าแสดงให้เห็นว่าอัตราการจ่ายก๊าซไนโตรเจนไม่มีผลต่อค่าดัชนีหักเหทางแสง ดังนั้นการทดลองลำดับต่อไปกำหนดอัตราการจ่ายไนโตรเจนไวท้ีร่ะดบั 2500 Sccm. ผลการวเิคราะหแ์สดงความสัมพันธ์ระหว่างดัชนีหักเหทางแสงกับปัจจัยทั้ง 6 เป็นแบบไม่เชิงเส้นที่ระดับความมีนัยสำคัญที ่ 0.2

(P-value = 0.109) การกำหนดความมีนัยสำคัญสูงเนื่องจากเป็นการวิจัยในขั้นของการค้นหาตัวแบบความสมัพนัธ์

3.3.3 การทดลองเพื่อหาความสัมพันธ์ตัวแบบโดยใช้วิธีการพื้นผิวตอบสนอง

เนือ่งดว้ยตวัแบบความสมัพนัธร์ะหวา่งปจัจยัตา่งๆ ทีใ่ชใ้นการสรา้งฟลิม์ และดชันหีกัเหทางแสงมคีวามสมัพนัธ์แบบไมเ่ชงิเสน้ ทำใหก้ารทดลองเพือ่พสิจูนว์า่ปจัจยัตา่งๆ มอีทิธพิลรว่มตอ้งอาศยัวธิกีารพืน้ผวิตอบสนอง (Response

Surface Methodology) โดยทำการทดลองแบบ Central

Composite Design (CCD) แบบ Half Design และ ใช้ค่า α แบบ Face Centered Design ปัจจัยที่พิจารณาทั้งหมด 6 ปัจจัย และกำหนดอัตราการจ่ายไนโตรเจนไว้ที่ 2500 Sccm. ทำให้มีเงื่อนไขสภาวะในการทดลอง 53 เงื่อนไข ผลการวิเคราะห์แสดงในรูปที่ 8

จากรูปที่ 8 พิจารณาค่า R2 และค่า P-value ของ Lack-of-Fit สามารถสรุปได้ว่าตัวแบบที่ได้สามารถอธิบายความสัมพันธ์ได้มาก และตัวแบบที่สร้างมีความสมรูปกับข้อมูล จากค่า R2 (Pred) สามารถสรุปได้ว่า

รูปที่ 8 ผลการวิเคราะห์การทดลองแบบ Central Composite Design

339


สมการทีไ่ดจ้ากการทดลองสามารถนำไปใชใ้นการทำนายพฤติกรรมของระบบได้ความถูกต้องในระดับที่ยอม รับได้

ดังนั้นสามารถที่จะแสดงตัวแบบความสัมพันธ์ (Empirical Model) ระหว่างค่าดัชนีหักเหทางแสงกับปัจจัยต่างๆ ผ่านสมการถดถอย (Regression Model) ดังแสดงสมการที่ 1

(1)

กำหนดให้ y = ค่าดัชนีหักเหทางแสง x1 = Pressure: ความดันภายในแชมเบอร์

x2 = RF_Power: ค่ากำลังของคลื่นวิทยุ x3 = Temp: อุณหภูมิที่ใช้ในการสร้างฟิล์ม x4 = Gap: ระยะหา่งระหวา่งฐานรองเวเฟอรก์บัแกซ๊ชาวเวอร์ x5 = SiH4: อัตราการส่งผ่านก๊าซไซเลน x6 = NH3: อัตราการส่งผ่านแก๊ซแอมโมเนีย

ค่าเป้าหมายของดัชนีหักเหทางแสงที่ต้องการคือ 2.0 จากรูปที่ 9 แสดงให้เห็นเงื่อนไขมากมายที่ให้ค่าดัชนีหักเหทางแสงใกล้เคียง 2.0 ด้วยเหตุผลดังกล่าวจึงต้องลดเงื่อนไขที่มีเป็นจำนวนมากด้วยตัวชี้วัดรองคือ ค่าเปอร์เซ็นต์ความสม่ำเสมอของฟิล์มซึ่งเป็นคุณสมบัติทีส่ำคญัอกีประการหนึง่ แตผ่ลการทดลองทีไ่ดไ้มส่ามารถนำมาสร้างตัวแบบความสัมพันธ์ที่สมรูประหว่างปัจจัยทั้ง 6 ปัจจัยกับค่าเปอร์เซ็นต์ความสม่ำเสมอของฟิล์มได้ จากการวิเคราะห์เพิ่มเติมในภายหลังจึงทำให้ทราบว่า ปัจจัยปรับตั้งที่มีผลต่อค่าเปอร์เซ็นต์ความสม่ำเสมอของฟิล์มมีเพียงปัจจัยเดียว คืออัตราการจ่ายก๊าซไนโตรเจน ดังแสดงในรูปที่ 10 ซึ่งปัจจัยนี้ไม่ได้ทำการปรับเปลี่ยนในการทดลองนี้

รูปที่ 9 ความสัมพันธ์ระหว่างดัชนีหักเหทางแสงกับ SiH4 และ NH3 ที่ Pressure = 5; RF_power = 350;

Temp = 250; Gap = 425

340


3.3.4 การพิจารณาเลือกเงื่อนไขในการสร้างฟิล์ม ผลจากการทีไ่มส่ามารถหาตวัแบบใหค้า่เปอรเ์ซน็ต์

ความสม่ำเสมอของฟิล์มได้ ทำให้ต้องพิจารณาถึงเงื่อนไขในการสร้างฟิล์มจากสภาวะที่เกิดขึ้นจริง คือพิจารณาจากผลการทดลองทั้งหมด 53 เงื่อนไข โดยใช้ค่าดัชนีหักเหทางแสงในช่วง 1.8-2.3 และเปอร์เซ็นต์ความสม่ำเสมอของฟิล์มน้อยกว่าหรือเท่ากับ 3 ด้วยเกณฑ์ดังกล่าวทำให้เหลือเพียง 5 สภาวะของเงื่อนไขในการทดลอง สรุปในตารางที่ 3

จากตารางที่ 3 พบว่ามีสภาวะของการทดลองเพียง 5 เงื่อนไขที่ได้ค่าดัชนีหักเหทางแสงและเปอร์เซ็นต์ความสม่ำเสมอตรงตามเกณฑ์ นอกจากนี้

ตารางที่ 3 ได้นำเสนอเงื่อนไขการสร้างฟิล์มที่ใช้อยู่ในปัจจุบันเพื่อแสดงการเปรียบเทียบไว้ด้วย เงื่อนไขทั้งหมดจะถูกนำไปใช้ทดสอบแรงดันพัง วิธีการทดสอบนั้นจะเริ่มจากการป้อนแรงดันไฟฟ้าเข้าไปในระบบเริ่มตั้งแต่ 0-15 โวลท์ และจะทำการบันทึกผลหลังฟิล์มเกิดพังขึ้น

ผลการทดสอบนำเสนอในรูปที่ 11 ซึ่งพบว่า เงื่อนไขที่สามารถทนแรงดันไฟฟ้าได้มากที่สุด คือ เงื่อนไขเดียวกันกับผลิตภัณฑ์ที่ส่งให้ลูกค้า (Nitride

Test) ค่าการทนแรงดันเพิ่มขึ้นจาก 5 โวลท์เป็น 15 โวลท์ ส่วนฟิล์มที่สร้างจากเงื่อนไขอื่นๆ ที่ได้จากการทดลองทนแรงดันพังได้ต่ำกว่า 5 โวลท์ จึงถือได้ว่าฟิล์ม

รปูที ่10 ผลการวิเคราะห์ Effects ของค่าเปอร์เซ็นต์ความสม่ำเสมอของฟิล์มโดยใช้กราฟ NOPP

ตารางที่ 3 สภาวะในการทดลองที่ผ่านเกณฑ์ดัชนีหักเหทางแสง และเปอร์เซ็นต์ความสม่ำเสมอของฟิล์ม

ฟิล์ม ปัจจัยที่ปรับตั้งในการสร้างฟิล์ม ผลที่ได้

Pressure RF_ Power Temp Gap SiH4 NH3 N2 Index Uniformity

เงื่อนไขการผลิตเดิม 5 300 350 500 120 75 3500 2.02 2.1

Experiment 2 7 200 350 350 70 40 2500 1.986 1.656

Experiment 3 5 500 250 425 145 60 2500 1.98 1.78

Experiment 4 3 200 150 500 220 40 2500 2.011 1.58

Experiment 5 3 200 150 350 70 40 2500 1.89 1.49

Experiment 7 7 500 150 350 70 40 2500 1.889 0.9

341


ที่ได้จากการทดลองยังไม่ดีกว่าฟิล์มที่สร้างจากเงื่อนไขเดิม เมื่อพิจารณาจากเงื่อนไขในการสร้างฟิล์มทำให้ตั้งข้อสังเกตได้ว่า เป็นเพราะเงื่อนไขเดิมนั้นมีปริมาณของก๊าซไนโตรเจนที่สูงกว่าเงื่อนไขอื่นๆ ถึง 1000 Sccm

3.4 การกำหนดมาตรการตอบโตแ้ละการนำไปปฏบิตัิ

เนื่องด้วยสภาวะการสร้างฟิล์มที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน ดกีวา่เงือ่นไขทีพ่บจากการทดลอง จงึทำใหไ้มม่กีารปรบักระบวนการผลติแตอ่ยา่งใด ยงัคงเงือ่นไขการผลติเดมิไว ้แต่อย่างไรก็ตามงานวิจัยนี้ได้สร้างองค์ความรู้เกี่ยวกับวิธีการทดสอบแรงดันพัง และบทบาทของปัจจัยต่างๆ ที่ใช้ในการสร้างฟิล์มให้กับองค์กร

4. อภิปรายผลและสรุป

ในการดำเนินงานวิจัยได้นำเสนอเทคนิคในการหาค่าที่เหมาะสมในกระบวนการเคลือบฟิล์มซิลิกอน ไนไตรด ์และหาเงือ่นไข (สตูร) ทีจ่ะทำใหฟ้ลิม์มคีณุสมบตัิในการกันน้ำที่ดียิ่งขึ้น เพื่อใช้เป็นฉนวนเคลือบลงบนผิวหน้าของหัวอุปกรณ์ตรวจวัด วัดความดันเลือดในหัวใจ มีตัวชี้วัดหลักของโครงการ คือ ค่าดัชนีหักเห

ทางแสงของชั้นฟิล์มไนไตรด์ และเปอร์เซ็นต์ความสม่ำเสมอของฟิล์ม จากการทดลองทำให้ทราบว่าปัจจัยที่ส่งผลต่อค่าดัชนีหักเหทางแสง มีทั้งหมดจำนวน 6 ปัจจัย คืออัตราการจ่ายก๊าซไซเลน (SiH4) อัตราการจ่ายก๊าซแอมโมเนีย (NH3) แรงดันภายในท่อ (Pressure) ความถี่ อาร์เอฟ (RF Power) ระยะห่างของแผ่นเวเฟอร์ กับชาวเวอร์จ่ายก๊าซ (Gap) และอุณหภูมิ (Temperature) โดยพบว่าตัวแบบความสมัพนัธเ์ปน็แบบไมเ่ชงิเสน้ และพบวา่อตัราการจา่ยกา๊ซไนโตรเจนมีผลต่อเปอร์เซ็นต์ความสม่ำเสมอของฟิล์ม เมื่อพิจารณาจากการทดลองทำให้สามารถเลือกเงื่อนไขการผลิต 5 เงื่อนไขที่มีค่าดัชนีหักเหทางแสงและเปอร์เซ็นต์ความสม่ำเสมอตรงตามเกณฑ์ เงื่อนไขที่ได้มาใช้ในกระบวนการทดสอบการกันความชื้นของฟิล์ม ซึ่งผลที่ได้หลังจากทำการเปรียบเทียบแล้วผลปรากฏว่า สูตรที่ใช้ในการเคลือบฟิล์มเดิมดีกว่า สูตรที่ได้จากการทดลอง

การที่งานวิจัยนี้ไม่สามารถค้นหาเงื่อนไขการผลิตที่ดีกว่าเดิมเนื่องมาจาก ขาดความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับบทบาทของปัจจัยต่างๆ ในการสร้างฟิล์ม

รูปที่ 11 ผลการทดสอบการทนแรงดันพัง

342


และการทดลองที่ออกแบบในเบื้องต้นทำการพิจารณาตัวแปรตอบสนองเพียงตัวเดียว จากผลการทดลองทำให้ตั้ งข้อสังเกตได้ว่าเงื่อนไขในการสร้างฟิล์ม ซิลิกอนไนไตรด์ที่สามารถทนแรงดันพังได้ดีนั้น จะเป็นเงื่อนไขที่มี อัตราการไหลของไนโตรเจนสูงกว่าเงื่อนไขอื่นๆ ดังนั้นการดำเนินงานวิจัยต่อยอดจากงานวิจัยนี้ควรนำอัตราการไหลของไนโตรเจนมาพิจาณาด้วย และควรดำเนินการวิเคราะห์ตัวแปรตอบสนองทั้งสองควบคู่กันไปด้วยกัน ซึ่งคาดว่าการดำเนินงานแบบนี้จะส่งผลให้ได้เงื่อนไขในการสร้างฟิล์มซิลิกอนไนไตรด์ที่ดีกว่าเดิม

นอกจากนี้การทดสอบความสามารถกันน้ำได้ของฟลิม์ในประเทศไทยนัน้ยงัเปน็ไปไดย้าก งานวจิยันีไ้ดน้ำเสนอวิธีการทดสอบแรงดันพัง ซึ่งผลการทดสอบนั้นใช้อา้งองิความหนาแนน่ของพนัธะทางเคมขีองฟลิม์ทีส่รา้งได ้ซึง่สามารถใชอ้นมุานความสามารถในการกนันำ้ได ้

5. กิตติกรรมประกาศ

ผู้วิจัยขอขอบพระคุณ สำนกังานกองทนุสนบัสนนุการวจิยั (สกว.) สญัญาทนุเลขที ่MRG-OSMEP505E140 และศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ ที่ให้ทุนสนับสนุนงานวิจัยนี้และให้ความร่วมมือเป็นอย่างดี

เอกสารอ้างอิง [1] D.H. Yoon, “Refractive Index and Etched

Structure of Silicon Nitride Waveguides

Fabricated by PECVD,” Sci. Thin Solid Film,

pp. 5004-5009, 2007.

[2] กิติศักดิ์ พลอยพานิชเจริญ, การแก้ไขปัญหาทางธุรกิจด้วยวิธีการทางสถิติ: Statistical Problem

Solving (SPS), พิมพ์ครั้งที่ 1, กรุงเทพมหานคร :สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ไทย-ญี่ปุ่น), 2548.

[3] K. Byungwhan,“Modeling, “Refraction

Characteristics of Silicon Nitride Film

Deposited in SiH4 – NH3 – N2 Plasma Using

Neural Network,” IEEE Transactions on

Plasma Science, pp. 317-322, 2003.

[4] D.S. Wuu, “Water and Oxygen Permeation of

Silicon Nitride Films Prepared by Plasma-

Enhanced Chemical Vapor Deposition,” Sci.

Surf. Coat. Technol., pp. 114-117, 2005.

[5] D.C. Montgomery, Design and Analysis of

Experiment, 5th ed., New York : John Wiley&

Sons, 2000, pp.1-500.

[6] E. Kälvesten, L.Smith, L. Tenerz, G.Stemme,

“The First Surface Micromachined Pressure

Sensor for Card iovascu la r Pressure

Measurements,” Proceedings of the Eleventh

Annual International Workshop on Micro

Electro Mechanical System, pp. 574-579,

1998.

[7] กิติศักดิ์ พลอยพานิชเจริญ, สถิติสำหรับงานวิศวกรรม เล่ม 2 (ประมวลผลด้วย MINITAB), พิมพ์ครั้งที่ 3, กรุงเทพมหานคร : สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ไทย-ญี่ปุ่น), 2545.

การหาค่าพารามิเตอร์ในการ ...332...

Documents

Transcript of การหาค่าพารามิเตอร์ในการ ...332...