Vuonna puolijohdevalmistus, piikiekon geometria on ratkaisevassa asemassa prosessin vakauden, litografian tarkkuuden, liimauslaadun ja viime kädessä laitteiden tuotantotehokkuuden kannalta. Piikiekon halkaisijoiden kasvaessa jatkuvasti ja edistyneiden pakkaustekniikoiden vaatimusten kiristyessä tarve tarkalle piikiekon mittaukselle on suurempi kuin koskaan.
Niistä lukuisista parametreista, joita käytetään piikiekon laadun arviointiin, Kokonaispaksuuden vaihtelu (TTV) ja Ilmoitettu kokonaislukema (TIR) tulee usein vastaan. Vaikka molemmat mittaukset liittyvät kiekon paksuuteen ja tasaisuuteen, ne kuvaavat erilaisia fysikaalisia ominaisuuksia ja niitä ymmärretään usein väärin.
Tässä artikkelissa selitetään TIR- ja TTV-arvojen määritelmät, mittausmenetelmät, käyttökohteet sekä niiden keskeiset erot, mikä auttaa insinöörejä ymmärtämään paremmin piikiekkojen geometrisia vaatimuksia.
Piikiekon paksuuden mittausten ymmärtäminen
Puolijohdepiikiekkos Niiden paksuuden odotetaan olevan erittäin tasainen koko pinnalla. Jopa pienet vaihtelut voivat vaikuttaa:
- Litografian tarkennustarkkuus
- Kiekkojen käsittely ja kuljetus
- Piikiekkojen liitosprosessit
- CMP:n suorituskyky
- Laitteiden luotettavuus ja tuotantoaste
Paksuuden tasaisuuden arvioimiseksi valmistajat käyttävät useita geometrisia parametreja, kuten:
- Paksuus
- TTV (kokonaispaksuuden vaihtelu)
- Keula
- Warp
- TIR (kokonaislukema)
Jokainen parametri antaa ainutlaatuista tietoa piikiekon fyysisestä kunnosta.
Mikä on TTV (kokonaispaksuuden vaihtelu)?
Määritelmä
TTV tarkoittaa piikiekon poikki mitatun paksuuden suurimman ja pienimmän arvon välistä eroa.
Matemaattisesti:
TTV = suurin paksuus − pienin paksuus
TTV keskittyy yksinomaan paksuuden tasaisuuteen eikä ota huomioon kiekkojen suuntaa tai pyörimiskäyttäytymistä.
Mittausperiaate
Paksuuden mittaukset suoritetaan useista pisteistä piikiekon pinnalla seuraavien menetelmien avulla:
- Kapasitiiviset anturit
- Optiset interferometrit
- Kosketustyyppiset paksuusmittarit
- Lasermittausjärjestelmät
Suurin ja pienin paksuusarvo määritetään, ja niiden ero muodostaa TTV-arvon.
Esimerkki
Jos kiekkojen paksuus vaihtelee välillä:
- Suurin paksuus: 726 μm
- Vähimmäispaksuus: 721 μm
Sitten:
TTV = 726 − 721 = 5 μm
Pienempi TTV-arvo osoittaa paksuuden paremman tasaisuuden.
Mikä on TIR (Total Indicated Reading)?
Määritelmä
TIR mittaa kokonaisvaihtelua, joka havaitaan, kun kiekkoa pyöritetään sen keskiakselin ympäri.
Toisin kuin TTV, TIR kuvaa seuraavien tekijöiden yhteisvaikutusta:
- Paksuuden vaihtelu
- Pinnan epätasaisuudet
- Kiekkojen epäkeskisyys
- Kiinnikkeiden kohdistusvirheet
- Pinnan epäkeskisyys
TIR-tekniikkaa käytetään yleisesti tarkkuusmekaniikan ja metrologian sovelluksissa.
Mittausperiaate
Piikiekko on kiinnitetty karaan, ja sitä pyöritetään 360 astetta samalla, kun siirtymäanturi tallentaa jatkuvasti pinnan liikettä.
Pyörimisen aikana mitattujen korkeimman ja matalimman lukeman välinen ero määritellään seuraavasti:
TIR = mittarin suurin lukema – mittarin pienin lukema
Esimerkki
Kierron aikana:
- Suurin lukema: +3 μm
- Pienin lukema: −4 μm
Sitten:
TIR = 3 − (−4) = 7 μm
TTV vs. TIR: Keskeiset erot
| Parametri | TTV | TIR |
|---|---|---|
| Koko nimi | Kokonaispaksuuden vaihtelu | Ilmoitettu kokonaislukema |
| Pääasiallinen tarkoitus | Paksuuden tasaisuus | Pyörivän pinnan vaihtelu |
| Mittaako paksuuden? | Kyllä | Osittain |
| Vaikuttaako pinnan muoto? | Ei | Kyllä |
| Vaikuttaako kiekkojen epäkeskisyys? | Ei | Kyllä |
| Tarvitseeko se kiertämistä? | Ei | Kyllä |
| Tyypillinen käyttökohde | Puolijohdepiirilevyjen kelpoisuustestaus | Tarkkuusmittaus ja laitteiden suuntaus |
Tärkein ero on se, että:
TTV mittaa paksuuden vaihtelua suoraan, kun taas TIR mittaa kokonaisasennon vaihtelua pyörimisen aikana.
Tämän seurauksena TIR-arvot ovat usein suurempia kuin TTV-arvot, koska niissä otetaan huomioon myös muita geometrisia virheitä.
TIR:n ja TTV:n välinen suhde
Vaikka TIR ja TTV liittyvät toisiinsa, niitä ei voi käyttää keskenään vaihdellen.
Ihanteellisessa piikiekossa:
- Täydellinen keskitys
- Karan täydellinen suuntaus
- Pinnassa ei ole epätasaisuuksia
TIR-arvo voi lähestyä TTV-arvoa.
Todellisissa tuotantoympäristöissä TIR-arvoon vaikuttavat kuitenkin yleensä myös muut tekijät:
Pinnan epäkeskisyys
Mikroskooppisen pienet aaltoilut tai paikalliset viat voivat nostaa mittarin lukemia.
Kiekkojen epäkeskisyys
Jos kiekko ei ole täysin linjassa karan akselin kanssa, TIR-arvo kasvaa.
Otteluohjelman virheet
Kiinnitysalustan tasaisuus ja kiinnityksen tarkkuus voivat vaikuttaa mittaustulosten vaihteluun.
Mekaaniset värähtelyt
Laitteiston epävakaus voi aiheuttaa mittaushäiriöitä.
Tästä seuraa, että:
TIR on useimmissa käytännön tilanteissa vähintään yhtä suuri kuin TTV.
Miksi TIR on tärkeää puolijohteiden valmistuksessa
Kun piikiekkojen halkaisijat kasvavat 150 mm:stä ja 200 mm:stä 300 mm:iin ja sitä suuremmiksi, geometrinen tarkkuus tulee yhä tärkeämmäksi.
TIR-mittauksia käytetään yleisesti seuraavissa yhteyksissä:
Kiekkojen hionta
Karan tarkkuuden seuranta takahiontaprosessien aikana.
Kiekkojen kiillotus
Pyörimisvakauden arviointi CMP-prosessien aikana.
Piikiekkojen tarkastusjärjestelmät
Tarkka paikannus ja tarkennus.
Piikiekkojen liimaus
Kohdistusvirheiden vähentäminen edistyneissä pakkaussovelluksissa.
MEMS-valmistus
Mikroelektromekaanisten rakenteiden tiukkojen tasaisuusvaatimusten noudattaminen.
Tyypilliset toimialakohtaiset vaatimukset
Hyväksyttävät TTV- ja TIR-arvot riippuvat piikiekkotyypistä ja käyttötarkoituksesta.
Pii-levyt
| Halkaisija | Tyypillinen TTV |
| 150 mm | < 5 μm |
| 200 mm | < 3 μm |
| 300 mm | < 1 μm |
Kehittyneet SiC-levyt
| Halkaisija | Tyypillinen TTV |
| 6 tuumaa | < 10 μm |
| 8 tuumaa | < 5 μm |
TIR-määritykset määräytyvät yleensä laitevalmistajien ja prosessivaatimusten perusteella eikä pelkästään substraattistandardien perusteella.
TIR, TTV, kaarevuus ja vääntyminen: kokonaiskuva
Mikään yksittäinen parametri ei pysty kuvaamaan piikiekon geometriaa kokonaisuudessaan.
Insinöörit arvioivat yleensä seuraavia asioita:
| Parametri | Kuvaus |
| Paksuus | Kiekkojen keskimääräinen paksuus |
| TTV | Paksuuden tasaisuus |
| TIR | Kiertoliikkeen vaihtelu |
| Keula | Keskipisteen siirtymä vertailutason suhteen |
| Warp | Kiekkojen kokonaismuodonmuutos |
Yhdessä nämä mittaukset antavat kattavan käsityksen piikiekon laadusta ja prosessin yhteensopivuudesta.
Päätelmä
TTV ja TIR ovat molemmat keskeisiä piikiekkojen mittausparametrejä, mutta niillä on eri käyttötarkoitukset.
TTV mittaa paksuuden tasaisuutta piikiekon pinnalla, minkä vuoksi se on keskeinen vaatimus substraattivalmistajille ja puolijohdetehtaille. TIR puolestaan mittaa pyörimisen aikana tapahtuvaa kokonaisasennon vaihtelua ja kuvaa paksuuden vaihtelun, pinnan epätasaisuuksien sekä mekaanisen kohdistuksen yhteisvaikutusta.
Kun puolijohteiden valmistuksessa siirrytään yhä suurempiin piikiekkojen halkaisijoihin, edistyneisiin pakkausratkaisuihin ja tiukempiin prosessitoleransseihin, TTV:n ja TIR:n välisen eron ymmärtäminen on yhä tärkeämpää insinööreille, jotka työskentelevät piikiekkojen tuotannon, tarkastuksen ja laitteiden valmistuksen parissa.
Arvioimalla molemmat parametrit tarkasti valmistajat voivat parantaa prosessin vakautta, laitteiden suorituskykyä ja laitteiden kokonaistuotantoa.