In halfgeleiderproductie, speelt de geometrie van de wafer een cruciale rol bij het bepalen van de processtabiliteit, de nauwkeurigheid van de lithografie, de kwaliteit van de verbinding en uiteindelijk de opbrengst van de halfgeleidercomponenten. Naarmate de diameters van wafers blijven toenemen en geavanceerde verpakkingstechnologieën steeds hogere eisen stellen, is de behoefte aan nauwkeurige wafermetrologie nog nooit zo groot geweest.
Een van de vele parameters die worden gebruikt om de kwaliteit van wafers te beoordelen, Totale diktevariatie (TTV) en Totale aangegeven waarde (TIR) komen vaak voor. Hoewel beide metingen verband houden met de dikte en vlakheid van de wafer, beschrijven ze verschillende fysische eigenschappen en worden ze vaak verkeerd begrepen.
In dit artikel worden de definities, meetmethoden, toepassingen en belangrijkste verschillen tussen TIR en TTV toegelicht, zodat ingenieurs de specificaties voor de geometrie van wafers beter kunnen begrijpen.
Inzicht in het meten van de dikte van wafers
Halfgeleiderwafers worden geacht over hun gehele oppervlak een zeer gelijkmatige dikte te hebben. Zelfs kleine afwijkingen kunnen van invloed zijn op:
- Nauwkeurigheid van de scherpstelling bij lithografie
- Verwerking en transport van wafers
- Processen voor het verbinden van wafers
- CMP-prestaties
- Betrouwbaarheid en opbrengst van apparatuur
Om de dikte-uniformiteit te beoordelen, maken fabrikanten gebruik van verschillende geometrische parameters, waaronder:
- Dikte
- TTV (totale diktevariatie)
- Boog
- Warp
- TIR (totale aangegeven waarde)
Elke parameter geeft unieke informatie over de fysieke toestand van de wafer.
Wat is TTV (totale diktevariatie)?
Definitie
TTV staat voor het verschil tussen de maximale en minimale dikte die over een wafer is gemeten.
Wiskundig gezien:
TTV = maximale dikte − minimale dikte
TTV richt zich uitsluitend op de uniformiteit van de dikte en houdt geen rekening met de oriëntatie of het rotatiegedrag van de wafer.
Werkingsprincipe
De dikte wordt op meerdere punten over het oppervlak van de wafer gemeten met behulp van:
- Capacitieve sensoren
- Optische interferometers
- Contact-diktemeters
- Lasermetrologiesystemen
De hoogste en laagste diktewaarden worden vastgesteld, en het verschil daartussen vormt de TTV-waarde.
Voorbeeld
Als de dikte van een wafer varieert tussen:
- Maximale dikte: 726 μm
- Minimale dikte: 721 μm
Vervolgens:
TTV = 726 − 721 = 5 μm
Een lagere TTV-waarde duidt op een betere dikte-uniformiteit.
Wat is TIR (Total Indicated Reading)?
Definitie
TIR meet de totale variatie die wordt waargenomen wanneer een wafer rond zijn middenas wordt gedraaid.
In tegenstelling tot TTV geeft TIR de gecombineerde invloed weer van:
- Dikteschommelingen
- Oneffenheden in het oppervlak
- Excentriciteit van de wafer
- Fouten bij het uitlijnen van bevestigingselementen
- Oppervlakteslag
TIR wordt vaak gebruikt in toepassingen op het gebied van precisiemechanica en metrologie.
Werkingsprincipe
De wafer wordt op een spil bevestigd en 360 graden gedraaid, terwijl een verplaatsingssensor de bewegingen van het oppervlak continu registreert.
Het verschil tussen de hoogste en de laagste meetwaarde tijdens de rotatie wordt gedefinieerd als:
TIR = maximale waarde op de meter − minimale waarde op de meter
Voorbeeld
Tijdens de rotatie:
- Hoogste waarde: +3 μm
- Laagste waarde: −4 μm
Vervolgens:
TIR = 3 − (−4) = 7 μm
TTV versus TIR: de belangrijkste verschillen
| Parameter | TTV | TIR |
|---|---|---|
| Volledige naam | Totale diktevariatie | Totale aangegeven waarde |
| Hoofddoel | Dikte Uniformiteit | Variatie in het rotatieoppervlak |
| Meet de dikte? | Ja | Gedeeltelijk |
| Beïnvloed door de vorm van het oppervlak? | Nee | Ja |
| Beïnvloed door de excentriciteit van de wafer? | Nee | Ja |
| Moet het worden gedraaid? | Nee | Ja |
| Typische toepassing | Kwalificatie van halfgeleiderwafers | Precisiemetrologie en uitlijning van apparatuur |
Het belangrijkste verschil is dat:
TTV meet de diktevariatie rechtstreeks, terwijl TIR de totale positievariatie tijdens de rotatie meet.
Daardoor zijn TIR-waarden vaak groter dan TTV-waarden, omdat er extra geometrische fouten in zijn meegenomen.
Verband tussen TIR en TTV
Hoewel TIR en TTV verwant zijn, zijn ze niet onderling uitwisselbaar.
In een ideale wafer:
- Perfecte centrering
- Perfecte uitlijning van de spil
- Geen oneffenheden in het oppervlak
TIR kan de TTV-waarde benaderen.
In echte productieomgevingen wordt de TIR echter meestal beïnvloed door aanvullende factoren:
Oppervlakteslag
Microscopische golvingen of plaatselijke defecten kunnen de meetwaarden van de indicator verhogen.
Excentriciteit van de wafer
Als het midden van de wafer niet perfect is uitgelijnd met de as van de spil, neemt de TIR toe.
Fouten in het wedstrijdschema
De vlakheid van de spanplaat en de nauwkeurigheid van de bevestiging kunnen bijdragen aan meetafwijkingen.
Mechanische trillingen
Instabiliteit van de apparatuur kan meetruis veroorzaken.
Bijgevolg:
In de meeste praktijkgevallen geldt TIR ≥ TTV.
Waarom TIR belangrijk is bij de productie van halfgeleiders
Naarmate de diameter van de wafers toeneemt van 150 mm en 200 mm naar 300 mm en meer, wordt geometrische precisie steeds belangrijker.
TIR-metingen worden vaak toegepast bij:
Het slijpen van wafers
Controle van de nauwkeurigheid van de spil tijdens het achtergrindproces.
Het polijsten van wafers
Beoordeling van de rotatiestabiliteit tijdens CMP-bewerkingen.
Waferinspectiesystemen
Zorgen voor een nauwkeurige positionering en scherpstelling.
Wafer-bonding
Het verminderen van uitlijningsfouten bij geavanceerde verpakkingstoepassingen.
MEMS Productie
Het naleven van strenge eisen inzake vlakheid voor micro-elektromechanische structuren.
Typische eisen binnen de sector
De aanvaardbare TTV- en TIR-waarden zijn afhankelijk van het type wafer en de toepassing.
Siliciumwafers
| Diameter | Typische TTV |
| 150 mm | < 5 μm |
| 200 mm | < 3 μm |
| 300 mm | < 1 μm |
Geavanceerde SiC-wafers
| Diameter | Typische TTV |
| 6 inch | < 10 μm |
| 8 inch | < 5 μm |
De TIR-specificaties worden over het algemeen bepaald door de fabrikanten van apparatuur en de procesvereisten, en niet alleen door normen voor substraten.
TIR, TTV, Bow en Warp: een volledig overzicht
Er is geen enkele parameter die de geometrie van een wafer volledig kan beschrijven.
Ingenieurs beoordelen doorgaans:
| Parameter | Beschrijving |
| Dikte | Gemiddelde dikte van de wafer |
| TTV | Uniformiteit van de dikte |
| TIR | Rotatievariatie |
| Boog | Verschuiving ten opzichte van het referentievlak |
| Warp | Totale vervorming van de wafer |
Samen bieden deze metingen een uitgebreid inzicht in de kwaliteit van de wafers en de procescompatibiliteit.
Conclusie
TTV en TIR zijn beide essentiële meetparameters voor wafers, maar ze dienen verschillende doelen.
TTV geeft de uniformiteit van de dikte over het gehele oppervlak van de wafer weer en is daarmee een cruciale specificatie voor fabrikanten van substraten en halfgeleiderfabrieken. TIR daarentegen meet de totale positievariatie tijdens rotatie en weerspiegelt de gecombineerde effecten van diktevariatie, oneffenheden in het oppervlak en mechanische uitlijning.
Naarmate de halfgeleiderproductie zich steeds meer richt op grotere waferdiameters, geavanceerde verpakkingstechnieken en strengere procestoleranties, wordt het voor ingenieurs die betrokken zijn bij de waferproductie, inspectie en fabricage van halfgeleidercomponenten steeds belangrijker om het verschil tussen TTV en TIR te begrijpen.
Door beide parameters nauwkeurig te evalueren, kunnen fabrikanten de processtabiliteit, de prestaties van de apparatuur en de totale opbrengst van de apparaten verbeteren.