半導体前工程：光干渉式の膜厚測定装置　膜厚測定装置とは何か？なぜ光の干渉から膜厚を測定できるのか？　

この記事で分かること

光干渉式の膜厚測定装置

　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。

　今回は前工程の検査装置である光干渉式の膜厚測定装置についての解説となります。

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。

膜厚測定装置とは何か

　膜厚測定装置（Film Thickness Measurement Device）とは、その名の通り、対象物の表面に形成された薄膜の厚さを測定するための装置です。

　半導体製造プロセスにおいては、ウェーハ上に形成される様々な薄膜（酸化膜、窒化膜、レジスト、金属膜など）の厚さを高精度に制御することが、デバイスの性能や歩留まりに直結するため、非常に重要な役割を担っています。

膜厚測定装置の重要性

　半導体製造では、ミクロンからナノメートルオーダーの非常に薄い膜が多層にわたって形成されます。これらの膜の厚さが設計値からわずかにずれるだけでも、デバイスの電気的特性（抵抗、容量、トランジスタのしきい値電圧など）に大きな影響を与え、最終製品の不良につながる可能性があります。

そのため、膜厚測定装置は、以下の目的で用いられます。

• プロセス制御: 成膜工程における膜厚の均一性や再現性を確認し、プロセスの安定化を図ります。
• 品質管理: 製造されたウェーハ上の膜が、設計仕様を満たしているかを確認します。
• 歩留まり向上: 膜厚の異常を早期に検出し、不良品の発生を未然に防ぎ、全体の歩留まり向上に貢献します。
• R&D: 新しい材料やプロセス開発において、最適な膜厚条件を見つけ出すために活用されます。

膜厚測定装置の主な測定原理と種類

　膜厚測定装置には、様々な測定原理があり、測定対象の膜の種類（透明、不透明、導電性、絶縁性など）、膜厚の範囲、基材の種類、必要な精度、測定速度などに応じて使い分けられます。

主な測定原理と種類は以下の通りです。

1. 光干渉式（分光干渉法）:
   • 原理: 測定対象の薄膜の表面と裏面（基材との界面）で反射した光が干渉する現象を利用します。この干渉パターン（スペクトル）を解析することで膜厚を算出します。
   • 特徴: 非接触で広範囲の膜厚（数nmから数百μm）を測定できます。透明膜の測定に特に適しています。半導体製造で広く用いられています。
   • 代表的な装置: 分光膜厚計。
2. エリプソメーター（偏光解析法）:
   • 原理: 偏光した光が薄膜を通過または反射する際に、その偏光状態（振幅比と位相差）が変化する現象を測定し、膜厚や光学定数（屈折率、消衰係数）を解析します。
   • 特徴: 極めて薄い膜（単分子層から数nm）の測定に非常に高感度です。多層膜の測定や、材料の特性評価にも優れています。
   • 代表的な装置: 分光エリプソメーター。
3. 電磁式膜厚計:
   • 原理: 磁性体（鉄、鋼など）の基材上に形成された非磁性膜（塗膜、メッキ、樹脂など）の厚さを測定します。プローブ内の磁石が基材に与える磁束密度の変化を検出します。膜が薄いほど磁束密度が強く、膜が厚いほど弱くなる性質を利用します。
   • 特徴: 塗料やメッキの膜厚測定で広く使用されます。半導体製造では限定的。
4. 渦電流式膜厚計:
   • 原理: 非磁性導電性金属（アルミ、銅など）の基材上に形成された絶縁性被膜（塗膜、樹脂膜、アルマイトなど）の厚さを測定します。プローブから流れる電流によって基材に生じる渦電流の大きさが、膜厚によって変化する性質を利用します。
   • 特徴: 非磁性金属上の絶縁膜測定に利用されます。半導体製造では限定的。
5. 超音波式膜厚計:
   • 原理: 測定対象に超音波を照射し、膜の表面と裏面（または基材との界面）で反射して戻ってくるまでの時間から膜厚を算出します。音速は物質によって異なるため、膜の材質ごとの音速が既知である必要があります。
   • 特徴: 塗膜、プラスチック、ゴム、コンクリートなど、様々な材料の厚さ測定に利用されます。
6. X線膜厚計:
   • 原理: X線を試料に照射し、膜によってX線が吸収されたり、蛍光X線が発生したりする現象を利用して膜厚を測定します。
   • 特徴: 金属膜や多層膜の測定に適しています。特に、めっき膜厚測定でよく用いられます。
7. 触針式膜厚計（段差測定）:
   • 原理: 膜がある部分とない部分の段差を、非常に鋭い触針（プローブ）でなぞって測定します。
   • 特徴: 比較的厚い膜や、膜の断面を観察する際に用いられます。非破壊検査が難しい場合や、局所的な膜厚を正確に知りたい場合に有効ですが、基本的に破壊検査となります。

半導体製造における膜厚測定装置

半導体製造では、主に光干渉式やエリプソメーターが広く用いられます。これは、ナノメートルオーダーの薄膜を非接触で高精度に測定できる点が、微細化が進む半導体プロセスに不可欠だからです。

• 全面膜厚測定ユニット: 近年では、ウェーハ全面の膜厚分布を高速で測定し、膜厚の均一性や局所的な異常を検出する「全面膜厚測定ユニット」も登場しています。これは、プロセス中のウェーハを製造装置から取り出すことなく、その場で（In-situ）かつ全数を測定できるため、プロセスフィードバックや歩留まり向上に大きく貢献します。
• 多層膜測定: 半導体デバイスは多層構造であるため、各層の膜厚を個別に測定できる多層膜測定機能も重要です。

　膜厚測定装置は、半導体製造の品質と生産性を支える上で、欠かせない検査装置の一つです。

なぜ薄膜の表面と裏面で反射した光が干渉するのか

　薄膜の表面と裏面で反射した光が干渉する現象は、「薄膜干渉（Thin-film interference）」と呼ばれます。シャボン玉が虹色に見えたり、水面に浮いた油膜が色づいて見えたりするのも、この現象によるものです。

この現象が起こる原理は、以下の3つの要素が組み合わさることによります。

光の二重反射と経路差

• 光が薄膜に入射すると、まず薄膜の表面（上面）で一部が反射します。
• 残りの光は薄膜の中へ透過し、薄膜の裏面（下面）に到達して、そこで再び一部が反射します。
• 薄膜の裏面で反射した光は、再び膜の中を透過し、最終的に膜の表面から元の空間（多くの場合、空気）に戻ってきます。
• このように、光源から出発した同じ光が、薄膜の上面で反射する光と、薄膜の中を往復して下面で反射し、再び上面から出てくる光という、2つの経路を通る光に分かれます。

光路差の発生

• 上記の2つの光は、それぞれ異なる経路を通るため、進む距離が異なります。この距離の差を「光路差」と呼びます。
• 光路差は、薄膜の厚さ、光の入射角、そして薄膜の屈折率（膜の中での光の速さが空気中と異なるため）によって決まります。膜の中を進む光は、空気中を進む光よりも遅くなるため、実際に進んだ距離だけでなく、光学的な距離（光学的厚さ）を考慮する必要があります。

位相の変化（反射による位相ずれ）

• 光が異なる屈折率の媒質（物質）の境界面で反射する際、反射光の位相が変化する場合があります。
• 一般的に、光が屈折率の小さい媒質から大きい媒質に入射して反射する場合（例えば、空気からガラスや水へ入射して反射する場合）、反射光の位相は π (パイ) または 180∘ だけずれます（波の山が谷になり、谷が山になる）。これを「固定端反射」に例えられることがあります。
• 逆に、光が屈折率の大きい媒質から小さい媒質に入射して反射する場合（例えば、ガラスや水から空気へ入射して反射する場合）、反射光の位相は変化しません。これを「自由端反射」に例えられることがあります。
• 薄膜の場合、通常は空気（屈折率約1）中に置かれた薄膜（屈折率 > 1）に光が入射するため、
• 薄膜の表面での反射光: 空気（小）→薄膜（大）なので、位相が π ずれます。

• 薄膜の裏面での反射光: 薄膜（大）→基材（小または大）ですが、多くの場合、裏面では位相がずれないか、または表面とは異なる位相ずれが生じます。

干渉のメカニズム

　上記の3つの要素により、2つの反射光は、ある特定の時点で合流する際に、それぞれがたどってきた経路と反射による位相ずれの合計によって、相対的な位相関係が決まります。

• 強め合いの干渉: 2つの光の波の山と山、谷と谷が完全に重なり合う場合、光の強度が強まります。
• 弱め合いの干渉: 2つの光の波の山と谷が重なり合う場合、光の強度が弱まります（打ち消し合う）。

　光は波長によって異なるため、特定の膜厚と入射角において、ある波長の光は強め合い、別の波長の光は弱め合う、ということが起こります。これが、シャボン玉や油膜が様々な色に見える理由です（白色光には多様な波長の光が含まれているため）。

光の干渉から膜厚を測定できる理由は

　光の干渉を利用して膜厚を測定できるのは、以下のように薄膜の厚さによって、特定の波長の光が強め合ったり、弱め合ったりする現象（薄膜干渉）が起こるためです。

1. 光の二重反射: 薄膜に光（通常は白色光）を当てると、光は膜の「表面」で一部が反射し、残りは膜の中を透過して「裏面（基材との界面）」でもう一度反射します。
2. 光路差の発生: 膜の裏面で反射した光は、膜の中を往復してから表面で反射した光と合流します。このとき、膜の中を往復した光の方が、表面で反射した光よりも長い距離を進むことになります。この距離の差を「光路差」と呼びます。この光路差は、膜の厚さ、膜の屈折率、および光の入射角度によって決まります。
3. 位相のずれ: さらに、光が異なる媒質（物質）の境界面で反射する際、反射光の位相がずれることがあります（特に、屈折率の小さい媒質から大きい媒質へ入射する場合、位相が180度ずれる）。この反射による位相ずれも考慮に入れる必要があります。
4. 干渉現象: 上記の光路差と反射による位相ずれの合計によって、2つの反射光（表面からの反射光と裏面からの反射光）が合流する際に、互いの波の山と山、谷と谷が重なれば「強め合いの干渉」（明るくなる）、山と谷が重なれば「弱め合いの干渉」（暗くなる）が起こります。

　この干渉の条件（強め合う波長と弱め合う波長）は、薄膜の厚さに依存します。

　膜厚測定装置では、この原理を逆に応用します。つまり、広範囲の波長を含む光（白色光）を薄膜に照射し、反射してきた光のスペクトル（波長ごとの強度）を測定します。このスペクトルには、薄膜干渉によって特定の波長でピーク（強め合い）やディップ（弱め合い）が現れる干渉縞が観測されます。

　この干渉縞のパターン（ピークとディップの位置や間隔）を解析することで、計算によって薄膜の正確な厚さを導き出すことができるのです。膜が厚くなると干渉縞の周期が短くなり、薄くなると周期が長くなるため、干渉縞のパターンから膜厚を特定できます。

光干渉式の膜厚測定器の有力メーカーはどこか

　光干渉式（分光干渉法）の膜厚測定装置は、半導体製造をはじめ、様々な産業で利用されています。特に半導体分野においては、高精度な測定が求められるため、限られた有力メーカーが技術をリードしています。

主な有力メーカーとしては、以下のような企業が挙げられます。

• SCREENホールディングス（日本）:
  • 半導体製造装置の大手であり、光干渉式膜厚測定装置「VMシリーズ」などを提供しています。特にウェーハ処理装置との連携や、製造ラインでの高速・高精度測定に強みを持っています。
• 大塚電子株式会社（日本）:
  • 分光膜厚計の分野で実績のあるメーカーです。高精度な分光光度計を用いた光干渉法により、非接触・非破壊での高速高精度な膜厚測定を可能にしています。
• 東朋テクノロジー株式会社（日本）:
  • 旧Nanometrics社の技術を継承し、光学式膜厚計「NanoSpec6500シリーズ」や「TohoSpec3100」などの製造・販売を行っています。世界中でスタンダードとして使われてきた実績があります。
• KLA Corporation (米国):
  • 半導体検査装置の世界的リーダーであり、多岐にわたる検査・測定装置を提供しています。光干渉式に限らず、エリプソメーターなど、高度な光学技術を用いた膜厚測定ソリューションも提供しています。
• JFEテクノリサーチ株式会社（日本）:
  • 「FiDiCa®（フィディカ）」シリーズなど、膜厚分布測定装置で知られています。光干渉を利用した非接触・高速・高精度な膜厚分布測定に強みを持っています。

　これらのメーカーは、それぞれ得意とする膜厚範囲、測定対象、用途（R&D向け、量産ライン向けなど）において特徴を持っています。半導体分野では、ナノメートルオーダーの薄膜を高精度かつ高速で測定できる装置が特に重要視されます。