この記事で分かること
- 寸法検査装置とは半導体回路の線幅や穴径などをナノメートル精度で測定する装置です。
- 測定の方法：特にCD-SEM（測長SEM）が主流で、電子ビームで高解像度画像を得て、自動で寸法を測ります。
- 光の回折限界とは：光が波の性質を持つため、顕微鏡などで物体を観察する際に、理論上到達できる分解能（細部を見分ける能力）の物理的な限界です。どんなに優れたレンズでも、光の波長以下の細かさは見分けられません。
- 光の回折限界の影響をなくす方法：極めて短い波長をもつ電子線は光では識別できないナノメートルスケールの微細な構造に対しても、回折の影響をほとんど受けずに鮮明な像を結ぶことができ、
寸法検査装置
半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。
https://optronics-media.com/news/20250414/99245/
特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。
今回は、寸法検査装置についての記事となります。
半導体の前工程とは
半導体の前工程とは、シリコンウェハ上にトランジスタや配線などの微細な回路を形成する一連のプロセスのことです。ウェハを素材として、集積回路を作り込んでいく、半導体製造の最も重要な部分と言えます。非常に多くの精密な工程を経て、最終的な半導体チップの機能が決まります。
主な前工程は以下の通りです。
ウェハ準備
シリコンインゴットの製造: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を用いて単結晶のシリコンインゴットを育成します。
- スライス: インゴットを薄い円盤状（ウェハ）にスライスします。
- 研磨: ウェハ表面を平坦かつ滑らかに研磨します。
- 洗浄: ウェハ表面の微細な異物や汚れを徹底的に除去します。
成膜
ウェハ表面に、酸化膜、窒化膜、金属膜など、様々な薄膜を形成します。
- 成膜方法には、CVD（化学気相成長法）、スパッタリング（物理気相成長法）、ALD（原子層堆積法）などがあります。
フォトリソグラフィ
ウェハ表面に感光材（フォトレジスト）を塗布します。
- 回路パターンが描かれたマスク（フォトマスク）を通して紫外線を照射し、レジストにパターンを焼き付けます。
- 現像液で不要なレジストを除去し、ウェハ上に回路パターンを形成します。
エッチング
フォトリソグラフィでパターン形成されたレジストをマスクとして、露出した成膜を除去し、ウェハに回路パターンを転写します。
- エッチングには、液体を用いるウェットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングがあります。
不純物導入（ドーピング）
半導体特性を持たせるために、リンやボロンなどの不純物をウェハ中に注入します。
- イオン注入法などが用いられます。
平坦化（CMP: Chemical Mechanical Polishing）
表面の凹凸をなくし、平坦にするための処理です。
- 化学的な腐食と 研磨を同時に行います。
配線形成（メタライゼーション）
形成されたトランジスタなどの素子間を金属配線で接続します。
- スパッタリングなどで金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで配線パターンを作ります。
これらの工程を何度も繰り返し行うことで、複雑な集積回路がウェハ上に形成されます。前工程は、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。
前工程は、微細な回路を形成する一連のプロセスのことで、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。
寸法検査装置とは何か
半導体製造における寸法検査装置は、ウェーハ上に形成された回路パターンの物理的な寸法を、ナノメートル（nm）オーダーの非常に高い精度で測定するための装置です。
半導体の微細化が進むにつれて、トランジスタのゲート長や配線幅といった寸法がチップの性能（動作速度、消費電力など）に直結するため、この検査は極めて重要になっています。
なぜ重要なのか？
- 性能の決定: ゲート長や配線幅がわずかに設計値からずれるだけでも、トランジスタのスイッチング速度やリーク電流が大きく変化し、チップ全体の性能に悪影響を与えます。
- 歩留まりの確保: 寸法が設計基準を満たしているかを確認することで、不良品となるチップを早期に特定し、その後の無駄な工程を省くことで、製造歩留まりを向上させます。
- プロセス制御: 測定データをフィードバックすることで、露光装置やエッチング装置などの製造プロセスの調整や最適化を行い、安定した品質を維持します。
- 設計との整合性: 設計通りの回路がウェーハ上に実現されているかを確認し、新しいプロセスやデバイスの開発において重要な役割を果たします。
主な寸法検査装置：CD-SEM (Critical Dimension-Scanning Electron Microscope)
半導体前工程の寸法検査において最も広く使用されているのが、CD-SEMです。
- 原理:
- 走査型電子顕微鏡（SEM）の応用: CD-SEMは、通常のSEMと同様に、電子銃から放出された電子ビームを試料（ウェーハ）表面に細く絞り、走査（スキャン）しながら照射します。
- 二次電子検出: 電子ビームが試料に当たると、試料から二次電子などが放出されます。この二次電子の量を検出器で捉え、その信号強度を画像（SEM像）に変換します。
- 低加速電圧: 半導体パターンは非導電性の絶縁膜も含むため、試料へのチャージアップ（電子の蓄積による像の歪み）や損傷を抑えるために、非常に低い加速電圧（1kV以下）の電子ビームが使用されます。
- 自動測長: 取得されたSEM画像上には、回路パターンが明暗のコントラストで表示されます。CD-SEMは、この画像の輝度変化（エッジ）を自動的に検出し、事前に設定されたアルゴリズムに基づいて線幅、穴径、パターン間隔などの寸法を自動で測定します。測定精度（再現性）は、測長寸法の1%程度（標準偏差3σ）と非常に高いです。
- CD-SEMの特長:
- 高解像度: 電子線を用いるため、光の回折限界の影響を受けず、ナノメートルオーダーの微細なパターンも鮮明に画像化し、測定できます。
- 高い測定精度と再現性: 繰り返し測定しても非常に安定した値が得られます。
- 自動化: ウェーハの搬送から測定、データ出力までの一連のプロセスが自動化されており、製造ラインでの効率的な使用が可能です。
- 非接触: 電子ビームを用いるため、物理的に試料に接触せず、損傷を与えるリスクが低い。
その他の寸法検査・計測技術
CD-SEMが主流ですが、目的に応じて他の技術も併用されます。
- 原子間力顕微鏡（AFM: Atomic Force Microscope）: ナノメートルスケールの微細な凹凸形状を三次元的に高精度で測定できます。CD-SEMでは得られない高さ方向の情報も得られますが、測定速度は遅いです。
- 光学式測長: 広範囲のパターンを比較的短時間で測長できますが、CD-SEMほどの高解像度・高精度は得られません。露光装置のアライメント（重ね合わせ精度）測定などに使われることもあります。
- X線反射率法（XRR: X-ray Reflectivity）: 薄膜の膜厚や密度、表面・界面の粗さなどを非破壊で測定できます。
- 散乱計測法（Scatterometry / OCD: Optical Critical Dimension）: 周期的なパターンに光を照射し、散乱光の回折パターンから、パターンの寸法や形状（プロファイル）を解析する技術。高速で非破壊測定が可能ですが、測定できるパターンには制約があります。
寸法検査装置は、半導体回路の線幅や穴径などをナノメートル精度で測定する装置です。特にCD-SEM（測長SEM）が主流で、電子ビームで高解像度画像を得て、自動で寸法を測ります。チップ性能に直結し、歩留まり向上やプロセス制御に不可欠です。
光の回折限界とは何か
光の回折限界とは、望遠鏡や顕微鏡などの光学系において、光が波の性質を持つことによって生じる、理論上到達できる分解能の限界のことです。どんなに完璧なレンズや光学系を作ったとしても、この物理的な限界を超えることはできません。
光の波としての性質
光は粒子（光子）としての性質と同時に、波としての性質も持っています。この波の性質が「回折」という現象を引き起こします。回折とは、光が障害物（例えば、レンズの開口部や小さな穴）の縁を回り込んだり、広がったりする現象です。
点光源の結像
理想的な光学系では、一点から出た光は像面でも一点に集まると考えがちです。しかし、実際には光の回折によって、一点に集まるのではなく、エアリーディスクと呼ばれる同心円状のぼやけたパターンとして結像されます。このエアリーディスクの大きさが、その光学系で識別できる最小の大きさとなります。
分解能の限界
二つの非常に近い点光源がある場合、それぞれの点光源から生じたエアリーディスクが重なり合ってしまい、区別できなくなります。この二つの点を分離して識別できる最小の間隔を「分解能」と呼びます。回折限界は、この分解能の物理的な限界を指します。
アッベの回折限界の式
顕微鏡の場合、分解能 (d) は以下の式で表されることが知られています（アッベの回折限界）。d=2⋅NAλここで、
- λ (ラムダ) は光の波長です。NA (Numerical Aperture) は開口数と呼ばれ、レンズの集光能力を示す値です。
光の波長 (λ) を短くする
波長が短い光ほど、より微細なものを見分けられます。例えば、可視光（数百nm）よりも紫外線（DUV: 数百nm以下）や極端紫外線（EUV: 約13.5nm）を用いることで、解像度を向上させることができます。
開口数 (NA) を大きくする
NAが大きいレンズほど、より多くの光を集めることができ、解像度が高まります。
半導体製造における回折限界
半導体製造のフォトリソグラフィ（露光）工程では、回路パターンをウェーハに転写する際に光を使用します。このとき、光の回折限界が、転写できるパターンの最小線幅を決定する主要な要因となります。
- より微細な回路（ナノメートルスケール）を形成するためには、より短い波長の光（ArFエキシマレーザーの193nm、さらにEUV露光の13.5nmなど）を使用する技術開発が進められてきました。
- また、レンズとウェーハの間に液体を介在させる液浸（えきしん）露光などの技術は、NAを実質的に大きくすることで回折限界の影響を克服し、微細化を推進してきました。
光の回折限界は、光学顕微鏡の性能や、光を用いた加工技術（レーザー加工など）の限界を示す基本的な物理法則です。
光の回折限界とは、光が波の性質を持つため、顕微鏡などで物体を観察する際に、理論上到達できる分解能（細部を見分ける能力）の物理的な限界です。どんなに優れたレンズでも、光の波長以下の細かさは見分けられません。
電子線を用いると光の回折限界の影響を受けない理由は何か
電子線が光の回折限界の影響を受けないのは、電子が波としての性質を持ち、その波長が可視光や紫外線に比べて極めて短いためです。
光の回折限界は、光が波であるために、その波長以下の微細な構造を識別できない物理的な制約です。一方、電子も波（ド・ブロイ波）としての性質を持ちますが、電子顕微鏡で用いられる加速された電子の波長は、光の波長の数万分の一と非常に短くなります。
この極めて短い波長のおかげで、電子線は光では識別できないナノメートルスケールの微細な構造に対しても、回折の影響をほとんど受けずに鮮明な像を結ぶことができ、光の回折限界という制約から解放されます。
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