I tillverkning av halvledare, spelar wafergeometrin en avgörande roll för processstabiliteten, litografins noggrannhet, bindningskvaliteten och, i slutändan, utbytet av halvledarkomponenter. I takt med att waferdiametrarna fortsätter att öka och avancerade förpackningstekniker ställer allt högre krav har behovet av precis wafermetrologi aldrig varit större.
Bland de många parametrar som används för att bedöma skivornas kvalitet, Total tjockleksvariation (TTV) och Total indikerad avläsning (TIR) förekommer ofta. Även om båda måtten har att göra med skivans tjocklek och planhet, beskriver de olika fysiska egenskaper och missförstås ofta.
I den här artikeln redogörs för definitioner, mätmetoder, tillämpningar och de viktigaste skillnaderna mellan TIR och TTV, vilket hjälper ingenjörer att bättre förstå specifikationerna för wafergeometri.
Att förstå mätningar av skivtjocklek
Halvledarskivas förväntas ha en mycket jämn tjocklek över hela ytan. Även små variationer kan påverka:
- Fokusnoggrannhet vid litografi
- Hantering och transport av skivor
- Processer för skivbindning
- CMP:s prestanda
- Enhetens tillförlitlighet och utbyte
För att utvärdera tjocklekens jämnhet använder tillverkarna flera geometriska parametrar, bland annat:
- Tjocklek
- TTV (total tjockleksvariation)
- Båge
- Varp
- TIR (total angiven avläsning)
Varje parameter ger unik information om skivans fysiska tillstånd.
Vad är TTV (total tjockleksvariation)?
Definition
TTV står för skillnaden mellan den största och den minsta tjockleken som uppmätts över en wafer.
Matematiskt sett:
TTV = Maximal tjocklek − Minimal tjocklek
TTV fokuserar uteslutande på tjockleksjämnheten och tar inte hänsyn till skivans orientering eller rotationsbeteende.
Mätprincip
Tjockleksmätningar utförs vid flera punkter över hela skivans yta med hjälp av:
- Kapacitiva sensorer
- Optiska interferometrar
- Kontaktbaserade tjockleksmätare
- Lasermätningssystem
De högsta och lägsta tjockleksvärdena identifieras, och skillnaden mellan dem blir TTV-värdet.
Exempel
Om en skivans tjocklek ligger inom intervallet:
- Maximal tjocklek: 726 μm
- Minsta tjocklek: 721 μm
Sedan:
TTV = 726 − 721 = 5 μm
Ett lägre TTV-värde indikerar bättre tjockleksjämnhet.
Vad är TIR (Total Indicated Reading)?
Definition
TIR mäter den totala variationen som observeras när en skiva roteras runt sin mittaxel.
Till skillnad från TTV återspeglar TIR den sammantagna påverkan av:
- Tjockleksvariation
- Ytfel
- Skivans excentricitet
- Fel i monteringen av armaturer
- Ytavvikelse
TIR används ofta inom finmekanik och mätteknik.
Mätprincip
Wafern är monterad på en spindel och roteras 360 grader samtidigt som en förskjutningssensor kontinuerligt registrerar ytrörelser.
Skillnaden mellan det högsta och det lägsta mätvärdet under rotationen definieras som:
TIR = indikatorns högsta värde − indikatorns lägsta värde
Exempel
Under rotation:
- Högsta mätvärde: +3 μm
- Lägsta mätvärde: −4 μm
Sedan:
TIR = 3 − (−4) = 7 μm
TTV jämfört med TIR: De viktigaste skillnaderna
| Parameter | TTV | TIR |
|---|---|---|
| Fullständigt namn | Total tjockleksvariation | Total angiven avläsning |
| Huvudsyfte | Enhetlig tjocklek | Variationer i rotationsytan |
| Mäter tjockleken? | Ja | Delvis |
| Påverkas det av ytans form? | Nej | Ja |
| Påverkas det av waferns excentricitet? | Nej | Ja |
| Kräver rotation? | Nej | Ja |
| Typisk tillämpning | Kvalificering av halvledarskivor | Precisionsmätteknik och justering av utrustning |
Den viktigaste skillnaden är att:
TTV mäter tjockleksvariationer direkt, medan TIR mäter den totala positionsvariationen under rotation.
Detta innebär att TIR-värdena ofta är större än TTV-värdena, eftersom ytterligare geometriska fel ingår.
Sambandet mellan TIR och TTV
Även om TIR och TTV är besläktade begrepp är de inte utbytbara.
I en idealisk skiva:
- Perfekt centrering
- Perfekt spindelinriktning
- Inga ojämnheter i ytan
TIR kan närma sig TTV-värdet.
I verkliga tillverkningsmiljöer påverkas TIR dock vanligtvis av ytterligare faktorer:
Ytavvikelse
Mikroskopiska ojämnheter eller lokala defekter kan leda till högre mätvärden.
Skivans excentricitet
Om skivans centrum inte är perfekt inriktat mot spindelaxeln ökar TIR.
Fel i spelprogrammet
Chuckens planhet och monteringsnoggrannheten kan bidra till mätvariationer.
Mekaniska vibrationer
Instabilitet i utrustningen kan orsaka mätbrus.
Följaktligen:
TIR är större än TTV i de flesta praktiska situationer.
Varför TIR är viktigt inom halvledartillverkningen
I takt med att skivornas diameter ökar från 150 mm och 200 mm till 300 mm och ännu större blir den geometriska precisionen allt viktigare.
TIR-mätningar används ofta inom:
Slipning av skivor
Övervakning av spindelns noggrannhet under bakslipningsprocesser.
Polering av kiselskivor
Utvärdering av rotationsstabiliteten under CMP-processer.
System för inspektion av kiselskivor
Säkerställer korrekt positionering och fokusering.
Wafer-bondning
Minskning av inriktningsfel i avancerade förpackningstillämpningar.
MEMS-tillverkning
Att upprätthålla strikta krav på planhet för mikroelektromekaniska strukturer.
Typiska branschkrav
Vilka TTV- och TIR-värden som är acceptabla beror på typen av kiselplatta och användningsområdet.
Kiselplattor
| Diameter | Typisk TTV |
| 150 mm | < 5 μm |
| 200 mm | < 3 μm |
| 300 mm | < 1 μm |
Avancerade SiC-skivor
| Diameter | Typisk TTV |
| 6 tum | < 10 μm |
| 8 tum | < 5 μm |
TIR-specifikationerna fastställs i allmänhet av utrustningstillverkarna och utifrån processkraven, snarare än enbart utifrån standarder för substrat.
TIR, TTV, båge och skevhet: En helhetsbild
Ingen enskild parameter kan fullständigt beskriva skivans geometri.
Ingenjörer utvärderar vanligtvis:
| Parameter | Beskrivning |
| Tjocklek | Genomsnittlig skivtjocklek |
| TTV | Jämnhet i tjocklek |
| TIR | Rotationsvariation |
| Båge | Förskjutning i centrum från referensplanet |
| Varp | Total deformation av skivan |
Tillsammans ger dessa mätningar en heltäckande bild av skivornas kvalitet och processkompatibiliteten.
Slutsats
TTV och TIR är båda viktiga mätparametrar för kiselskivor, men de har olika syften.
TTV kvantifierar tjockleksjämnheten över hela skivans yta, vilket gör det till en avgörande specifikation för substrattillverkare och halvledarfabriker. TIR mäter däremot den totala positionsvariationen under rotation och återspeglar de sammantagna effekterna av tjockleksvariationer, ytoregelbundenheter och mekanisk inriktning.
I takt med att halvledartillverkningen fortsätter att utvecklas mot större skivdiametrar, avancerad förpackning och snävare processtoleranser blir det allt viktigare för ingenjörer som arbetar med skivproduktion, inspektion och tillverkning av komponenter att förstå skillnaden mellan TTV och TIR.
Genom att noggrant utvärdera båda parametrarna kan tillverkarna förbättra processstabiliteten, utrustningens prestanda och den totala avkastningen för enheterna.