Dans fabrication de semi-conducteurs, la géométrie des plaquettes joue un rôle essentiel dans la stabilité des procédés, la précision de la lithographie, la qualité du collage et, en fin de compte, le rendement des dispositifs. À mesure que le diamètre des plaquettes ne cesse d’augmenter et que les technologies d’encapsulation avancées deviennent de plus en plus exigeantes, le besoin d’une métrologie précise des plaquettes n’a jamais été aussi grand.
Parmi les nombreux paramètres utilisés pour évaluer la qualité des plaquettes, Variation totale de l'épaisseur (TTV) et Lecture totale indiquée (TIR) sont fréquemment rencontrées. Bien que ces deux mesures soient liées à l'épaisseur et à la planéité de la plaquette, elles décrivent des caractéristiques physiques différentes et sont souvent mal comprises.
Cet article présente les définitions, les méthodes de mesure, les applications et les principales différences entre le TIR et le TTV, afin d'aider les ingénieurs à mieux comprendre les spécifications géométriques des plaquettes.
Comprendre les mesures d'épaisseur des plaquettes
Plaquette semi-conductrices doivent présenter une épaisseur très homogène sur toute leur surface. Même de légères variations peuvent avoir une incidence sur :
- Précision de la mise au point en lithographie
- Manipulation et transport des plaquettes
- Procédés d'assemblage de plaquettes
- Performances du CMP
- Fiabilité et rendement des dispositifs
Pour évaluer l'uniformité de l'épaisseur, les fabricants ont recours à plusieurs paramètres géométriques, notamment :
- Épaisseur
- TTV (variation de l'épaisseur totale)
- Arc
- Distorsion
- TIR (valeur totale indiquée)
Chaque paramètre fournit des informations spécifiques sur l'état physique de la plaquette.
Qu'est-ce que TTV (variation de l'épaisseur totale)?
Définition
Le TTV correspond à la différence entre l'épaisseur maximale et l'épaisseur minimale mesurées sur une plaquette.
Mathématiquement :
TTV = Épaisseur maximale − Épaisseur minimale
La méthode TTV se concentre exclusivement sur l'uniformité de l'épaisseur et ne tient pas compte de l'orientation ni du comportement en rotation de la plaquette.
Principe de mesure
Les mesures d'épaisseur sont effectuées en plusieurs points sur la surface de la plaquette à l'aide :
- Capteurs capacitifs
- Interféromètres optiques
- Jauges d'épaisseur à contact
- Systèmes de métrologie laser
Les valeurs d'épaisseur maximale et minimale sont déterminées, et leur différence correspond à la valeur TTV.
Exemple
Si l'épaisseur d'une plaquette est comprise entre :
- Épaisseur maximale : 726 μm
- Épaisseur minimale : 721 μm
Puis :
TTV = 726 − 721 = 5 μm
Un TTV plus faible indique une meilleure uniformité d'épaisseur.
Qu'est-ce que le TIR (Total Indicated Reading) ?
Définition
Le TIR mesure la variation totale observée lorsqu'une plaquette tourne autour de son axe central.
Contrairement au TTV, le TIR reflète l'influence combinée des éléments suivants :
- Variation d'épaisseur
- Irrégularités de surface
- Excentricité de la plaquette
- Erreurs d'alignement des éléments de fixation
- Faux-rond de surface
La technologie TIR est couramment utilisée dans les applications de mécanique de précision et de métrologie.
Principe de mesure
La plaquette est fixée sur un axe et tourne de 360 degrés tandis qu'un capteur de déplacement enregistre en continu les mouvements de la surface.
La différence entre la valeur maximale et la valeur minimale relevées pendant la rotation est définie comme suit :
TIR = valeur maximale de l'indicateur − valeur minimale de l'indicateur
Exemple
Pendant la rotation :
- Valeur maximale : +3 μm
- Valeur minimale : −4 μm
Puis :
TIR = 3 − (−4) = 7 μm
TTV et TIR : principales différences
| Paramètres | TTV | TIR |
|---|---|---|
| Nom complet | Variation de l'épaisseur totale | Lecture totale indiquée |
| Objectif principal | Uniformité de l'épaisseur | Variation de la surface de rotation |
| Mesure-t-il l'épaisseur ? | Oui | En partie |
| Une influence de la forme de la surface ? | Non | Oui |
| Est-ce dû à l'excentricité de la plaquette ? | Non | Oui |
| Faut-il le tourner ? | Non | Oui |
| Application type | Qualification des plaquettes de semi-conducteurs | Métrologie de précision et alignement des équipements |
La distinction la plus importante est la suivante :
La technique TTV mesure directement les variations d'épaisseur, tandis que la technique TIR mesure les variations globales de position lors de la rotation.
De ce fait, les valeurs TIR sont souvent supérieures aux valeurs TTV, car elles intègrent des erreurs géométriques supplémentaires.
Lien entre le TIR et le TTV
Bien qu'ils soient liés, les termes « TIR » et « TTV » ne sont pas interchangeables.
Dans une plaquette idéale :
- Centrage parfait
- Alignement parfait de la broche
- Aucune irrégularité de surface
La valeur TIR peut se rapprocher de la valeur TTV.
Cependant, dans les environnements de production réels, le TIR est généralement influencé par d'autres facteurs :
Faux-rond de surface
Des ondulations microscopiques ou des défauts locaux peuvent entraîner une augmentation des valeurs indiquées par l'indicateur.
Excentricité de la plaquette
Si le centre de la plaquette n'est pas parfaitement aligné avec l'axe de la broche, la TIR augmente.
Erreurs de calendrier
La planéité du mandrin et la précision du montage peuvent être à l'origine de variations dans les mesures.
Vibrations mécaniques
L'instabilité de l'équipement peut être à l'origine d'un bruit de mesure.
Par conséquent :
Dans la plupart des cas concrets, TIR est supérieur ou égal à TTV.
Pourquoi le TIR est-il important dans la fabrication de semi-conducteurs ?
À mesure que le diamètre des plaquettes passe de 150 mm et 200 mm à 300 mm et au-delà, la précision géométrique revêt une importance croissante.
Les mesures TIR sont couramment utilisées dans :
Meulage de plaquettes
Contrôle de la précision de la broche pendant les opérations de rectification arrière.
Polissage des plaquettes
Évaluation de la stabilité en rotation lors des opérations de CMP.
Systèmes d'inspection de plaquettes
Garantir un positionnement et une mise au point précis.
Assemblage de plaquettes
Réduire les erreurs d'alignement dans les applications d'encapsulation de pointe.
Fabrication de MEMS
Respecter des exigences strictes en matière de planéité pour les structures microélectromécaniques.
Exigences typiques du secteur
Les valeurs admissibles de TTV et de TIR dépendent du type de plaquette et de l'application.
Plaquettes de silicium
| Diamètre | TTV typique |
| 150 mm | < 5 μm |
| 200 mm | < 3 μm |
| 300 mm | < 1 μm |
Plaquettes de SiC de pointe
| Diamètre | TTV typique |
| 6 pouces | < 10 μm |
| 8 pouces | < 5 μm |
Les spécifications TIR sont généralement déterminées par les fabricants d'équipements et les exigences du procédé, plutôt que par les seules normes relatives aux substrats.
TIR, TTV, courbure et déformation : une vue d'ensemble
Aucun paramètre ne permet à lui seul de décrire entièrement la géométrie d'une plaquette.
Les ingénieurs évaluent généralement :
| Paramètres | Description |
| Épaisseur | Épaisseur moyenne de la plaquette |
| TTV | Uniformité de l'épaisseur |
| TIR | Variation de rotation |
| Arc | Décalage du centre par rapport au plan de référence |
| Distorsion | Déformation globale de la plaquette |
Ensemble, ces mesures permettent d'avoir une vision globale de la qualité des plaquettes et de la compatibilité des procédés.
Conclusion
Le TTV et le TIR sont tous deux des paramètres de métrologie des plaquettes essentiels, mais ils ont des fonctions différentes.
Le TTV permet de quantifier l'uniformité de l'épaisseur sur toute la surface de la plaquette, ce qui en fait une spécification essentielle pour les fabricants de substrats et les usines de semi-conducteurs. Le TIR, quant à lui, mesure la variation positionnelle totale lors de la rotation et reflète les effets combinés des variations d'épaisseur, des irrégularités de surface et de l'alignement mécanique.
Alors que la fabrication de semi-conducteurs continue d'évoluer vers des diamètres de plaquettes plus grands, des techniques d'encapsulation avancées et des tolérances de processus plus strictes, il devient de plus en plus important pour les ingénieurs impliqués dans la production de plaquettes, leur inspection et la fabrication de dispositifs de bien comprendre la distinction entre le TTV et le TIR.
En évaluant avec précision ces deux paramètres, les fabricants peuvent améliorer la stabilité des processus, les performances des équipements et le rendement global des dispositifs.