Ursachenanalyse der Kontaktiergenauigkeit in der Wafer-Prüfung

EPSIA untersuchte für einen Halbleiterhersteller, warum Wafer-Prüfanlagen ihre erforderliche Kontaktiergenauigkeit von etwa 5 µm zeitweise nicht erreichten.

Aus den vorhandenen Produktions- und Logdaten entwickelte EPSIA ein Analyseverfahren, das die Positionsabweichung jedes einzelnen Bauteils auf dem Wafer sichtbar und statistisch auswertbar machte. Dadurch ließ sich die Ursache auf einen systematischen Lagefehler am Rand des Kamerabildfelds zurückführen.

Ausgangslage

Die Wafer-Prüfanlagen kontaktieren die Anschlüsse jedes Bauteils mit Messfühlern. Dafür müssen Bauteil und Messfühler mit hoher Genauigkeit zueinander positioniert werden. Eine fehlerhafte Kontaktierung kann die Messung beeinträchtigen und im ungünstigsten Fall zum Verlust des Bauteils führen.

Bei dem untersuchten Produkt befinden sich rund 17.700 Bauteile auf einem Wafer. Vor der eigentlichen Prüfung ermittelt eine Bildverarbeitung mit MVTec HALCON deren Positionen.

Im Produktionsbetrieb traten zeitweise Abweichungen auf, bei denen die erforderliche Kontaktiergenauigkeit nicht erreicht wurde. Aus den vorhandenen Daten war zunächst nicht erkennbar, wo im Prozess diese Abweichungen entstanden.

Lösung

EPSIA entwickelte ein eigenes Analysewerkzeug, das die vorhandenen Logdaten der Anlagen auswertet und die Positionierungsfehler über den gesamten Wafer rekonstruiert.

• Ein Parser liest die proprietären, rotierenden Logdateien der Maschinensoftware und rekonstruiert daraus für jeden Wafer das Bauteilraster, die einzelnen Kamerasektoren und die Positionsabweichung jedes Bauteils.
• Eine interaktive Wafer-Map auf Basis von WebGL und three.js stellt jedes Bauteil entsprechend seiner Positionsabweichung als Farbwert auf einer Skala von −10 bis +10 µm dar.
• Statistische Auswertungen mit Varianzen, Korrelationen und einer 3σ-Konfidenzellipse quantifizieren die Positioniergenauigkeit je Wafer.

Damit ließ sich ein zunächst nur sporadisch wahrgenommenes Produktionsproblem räumlich und statistisch untersuchen.

Ergebnis

Die Auswertung machte ein systematisches Muster sichtbar: Die größten Positionsabweichungen traten an den Rändern der einzelnen Kamerabildfelder auf.

Die Analyse zeigte dort Lagefehler von 5 bis 10 µm. Damit lag die Abweichung bereits in der Größenordnung beziehungsweise oberhalb der für die Kontaktierung verfügbaren Toleranz.

Als Ursache wurde die optische Verzeichnung am Rand des Kamerabildfelds identifiziert. Die bisherige sektorweise Vorabvermessung bestimmte dadurch die Positionen der Bauteile in diesen Bereichen systematisch falsch.

Aus diesem Befund entstand anschließend die Neukonzeption der Wafer-Einmessung. Das daraus entwickelte Verfahren M.A.P. ersetzt die sektorweise Vermessung durch eine Berechnung der Bauteilpositionen aus wenigen Referenzpositionen und wird seit 2025 in der Serienfertigung eingesetzt.

Wofür steht dieses Projekt?

Das Projekt zeigt die analytische Seite der Übernahme und Modernisierung bestehender Software: Ein zunächst schwer reproduzierbares Problem im Produktionsbetrieb wird mit zusätzlichen Daten, eigenen Analysewerkzeugen und statistischer Auswertung auf eine messbare technische Ursache zurückgeführt.

Die Ursachenanalyse blieb dabei nicht bei der Diagnose stehen. Aus dem nachgewiesenen Fehlerbild entstand der Folgeauftrag für eine neue Einmessung der Wafer-Prüfanlagen.

Den vollständigen Weg von der Übernahme der bestehenden Maschinensoftware über die Ursachenanalyse und die Entwicklung der neuen Einmessung bis zum Einsatz auf 134 Anlagen beschreibt die Fallstudie Maschinensoftware von 134 Wafer-Prüfanlagen übernommen.

Eckdaten

Leistung

Übernahme und Modernisierung

Branche

Halbleiterfertigung

Zeitraum

Oktober 2023 bis Februar 2024

Technik

Log-Parser, WebGL, three.js, Statistik, MVTec HALCON.