In halfgeleiderproductie, de kwaliteit van een wafer hangt van veel meer af dan alleen de zuiverheid van het materiaal. Zelfs een perfect gegroeide silicium-, saffier-, kwarts- of siliciumcarbide-wafer kan productieproblemen veroorzaken als de geometrie ervan niet goed wordt beheerst.
Tot de belangrijkste parameters voor de geometrie van wafers behoren TTV (Total Thickness Variation), kromming en kromtrekking. Aan de hand van deze metingen kunnen ingenieurs de uniformiteit van de dikte en de vlakheid van een wafer beoordelen voordat deze wordt gebruikt in kritieke processen zoals lithografie, verlijming, verdunning en verpakking.
In dit artikel wordt uitgelegd wat deze parameters betekenen, waarom ze belangrijk zijn en hoe ze worden gemeten.
Waarom de vlakheid van wafers belangrijk is
Moderne halfgeleidercomponenten worden vervaardigd met uiterst nauwe toleranties. Een kleine afwijking in de dikte of vlakheid van een wafer kan van invloed zijn op:
- Nauwkeurigheid van de scherpstelling bij fotolithografie
- Kwaliteit van het samenvoegen van wafers
- Uniformiteit bij het aanbrengen van dunne lagen
- Prestaties van CMP (Chemical Mechanical Polishing)
- Opbrengst bij het in blokjes snijden en verpakken
Naarmate de diameter van de wafers toeneemt en de structuren van de halfgeleiderelementen complexer worden, wordt het steeds belangrijker om de geometrie van de wafers nauwkeurig te beheersen.
Wat is TTV (totale diktevariatie)?
TTV, oftewel Total Thickness Variation, geeft aan hoe gelijkmatig de dikte van een wafer over het gehele oppervlak is.
Dit wordt gedefinieerd als het verschil tussen de maximale en minimale dikte die op de wafer is gemeten.
Formule:
TTV = maximale dikte − minimale dikte
Als het dikste punt op een wafer bijvoorbeeld 726 μm is en het dunste punt 721 μm, dan bedraagt de TTV 5 μm.
Een lagere TTV-waarde duidt over het algemeen op een betere dikte-uniformiteit, wat essentieel is voor de precisiebewerking van halfgeleiders.
Waarom TTV belangrijk is
Een te hoge TTV kan leiden tot:
- Focusfouten tijdens de lithografie
- Ongelijkmatige polijstresultaten
- Slechte prestaties bij het verlijmen van wafers
- Toegenomen procesvariatie
Voor hoogwaardige halfgeleiderwafers zijn vaak TTV-waarden van slechts enkele microns of minder vereist.
Wat is wafer-bow?
De kromming geeft de totale kromming van een wafer ten opzichte van een referentievlak weer.
Stel je voor dat je een wafer op een vlak oppervlak legt. Als het midden van de wafer boven het referentievlak uitkomt of eronder zakt, vertoont de wafer een kromming.
Bogen worden doorgaans veroorzaakt door interne spanningen die ontstaan tijdens:
- Epitaxiale groei
- Dunne-filmdepositie
- Thermische bewerking
- Het dunner maken van wafers
Een positieve kromming betekent dat het midden van de wafer hoger ligt dan het referentievlak, terwijl een negatieve kromming betekent dat het lager ligt.
Waarom de boog belangrijk is
De boog kan invloed hebben op:
- Verwerking van wafers
- Uitlijningsnauwkeurigheid
- Hechtingsprocessen
- Beoordeling van spanningen in dunne films
Bij speciaal vervaardigde wafers en geavanceerde substraten wordt de kromming vaak gedurende het gehele productieproces gecontroleerd.
Wat is wafervervorming?
Warp meet de totale vervorming van een vrijstaande wafer.
In tegenstelling tot ‘bow’, dat vooral een gelijkmatige kromming beschrijft, omvat ‘warp’ zowel algemene kromming als lokale vervormingen van het oppervlak.
Daarom geeft de warp meestal een realistischer beeld van de werkelijke vorm van een wafer.
Waarom Warp belangrijk is
Hoge kettingwaarden kunnen leiden tot:
- Problemen met het gebruik van apparatuur
- Problemen met vacuümopspanning
- Lagere hechtingsopbrengst
- Zorgen over de betrouwbaarheid van de verpakking
Warp is vooral belangrijk geworden in geavanceerde verpakkingstechnologieën, waarbij meerdere materialen met verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten worden gecombineerd.
Schering versus inslag: wat is het verschil?
Hoewel deze termen vaak samen worden gebruikt, beschrijven ze verschillende aspecten van de geometrie van een wafer.
| Parameter | Boog | Warp |
|---|---|---|
| Maatregelen | Totale kromming | Totale vervorming |
| Inclusief lokale vervorming | Nee | Ja |
| Typische waarde | Kleiner | Groter |
| Belangrijkste toepassing | Spanningsanalyse | Verpakking en verlijming |
Een eenvoudige manier om het verschil te onthouden is:
De term ‘bow’ verwijst naar de kromming van de wafer, terwijl ‘warp’ de daadwerkelijke vorm ervan aangeeft.
Hoe worden TTV, doorbuiging en kromming gemeten?
De moderne metrologie van halfgeleiderwafers is voornamelijk gebaseerd op contactloze optische meettechnieken.
Laserscansystemen
Lasergebaseerde systemen scannen beide oppervlakken van de wafer en genereren gedetailleerde kaarten van de dikte en vlakheid.
Deze systemen kunnen het volgende meten:
- Dikte
- TTV
- Boog
- Warp
Ze worden op grote schaal gebruikt voor silicium-, saffier-, kwarts- en SiC-wafers.
Optische profilometers
Optische profilometers stellen driedimensionale oppervlakteprofielen vast met een hoge nauwkeurigheid.
Ze worden vaak gebruikt voor:
- Kettinganalyse
- Meting van de oppervlaktetopografie
- Controle op vlakheid
Witlichtinterferometers
Voor uiterst nauwkeurige toepassingen kan interferometrie met wit licht een meetresolutie op submicron- en zelfs nanometerniveau bieden.
Deze systemen worden vaak gebruikt in MEMS, fotonica en onderzoekstoepassingen.
Typische specificaties voor de geometrie van wafers
De toegestane waarden voor TTV, kromming en kromtrekking variëren afhankelijk van het materiaal van de wafer en de toepassing.
Typische voorbeelden zijn onder meer:
| Type wafer | Typische TTV |
| Siliciumwafel | 1–5 μm |
| Saffierwafer | 3–10 μm |
| Kwartswafer | 5–20 μm |
| SiC-wafer | 2–10 μm |
De daadwerkelijke specificaties zijn afhankelijk van de diameter en dikte van de wafer en de eisen voor het eindgebruik.
Conclusie
TTV, kromming en kromtrekking zijn fundamentele parameters die worden gebruikt om de geometrie en vlakheid van een wafer te beoordelen.
- TTV meet de uniformiteit van de dikte.
- Boog meet de totale kromming van de wafer.
- Warp meet de totale vervorming van de wafer.
Naarmate de halfgeleiderproductie zich verder ontwikkelt, is een nauwkeurigere regeling van deze parameters van essentieel belang voor het behalen van hogere opbrengsten, betere prestaties van de componenten en een verbeterde processtabiliteit.
Of je nu op zoek bent naar siliciumwafers, saffierwafers, kwartswafers of siliciumcarbidesubstraten, als je weet wat TTV, kromming en kromtrekking zijn, kun je de juiste wafer-specificaties voor jouw toepassing kiezen.