半導体前工程：パターン形成検査装置　どのような検査装置なのか？光学式と電子線式の使い分けは？

この記事で分かること

パターン形成検査装置

　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。

　今回は検査装置の一種であるパターン形成検査装置に関する記事となります。

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。

パターン形成検査装置とは何か

　半導体前工程におけるパターン形成検査装置は、フォトリソグラフィとエッチングによってウェーハ上に形成された回路パターンが、設計通りに正確に作られているかを確認するための装置です。半導体の微細化が進むにつれて、この検査の重要性はますます高まっています。

目的

• 欠陥の検出: パターンの欠け、ブリッジ（意図しない接続）、ショート、オープン（断線）、寸法異常、異物付着などを検出します。
• 寸法の測定: ゲート長や配線幅など、回路の主要な寸法のばらつきやずれを精密に測定し、設計値との整合性を確認します（CD-SEMなど）。
• 位置合わせ精度の確認: 多層構造の回路において、各層のパターンが正確に位置合わせされているか（オーバーレイ精度）を確認します。
• 歩留まり向上: 欠陥を早期に発見し、その原因を特定することで、製造プロセスの改善と歩留まりの最大化に貢献します。

主な検査方法と原理

　パターン形成検査装置には、大きく分けて光学式と電子線式の2種類があります。

1. 光学式パターン検査装置 (Optical Pattern Inspection)
   • 原理: 高解像度のカメラと高性能な光学系を用いて、ウェーハ表面の画像を撮影し、その画像を基準となるデータ（設計データや良品パターン）と比較することで、欠陥を検出します。
     • Die-to-Die (D-D) 比較: 同じウェーハ上の隣接するチップ（ダイ）間で画像を比較し、異なる部分を欠陥として検出します。同じ回路パターンが繰り返し形成されている場合に有効です。
     • Die-to-Database (D-DB) 比較: 設計データ（CADデータ）を画像データに変換し、それをウェーハ上の実際のパターン画像と比較することで欠陥を検出します。設計からのズレを直接検出できます。
   • 特徴:
     • 高速性: ウェーハ全面を比較的短時間で検査できます。
     • 非破壊: 光を用いるため、ウェーハにダメージを与えません。
     • 検出感度: 近年では、UV光や液浸技術などを利用して、より微細な欠陥を検出できるようになっていますが、電子線式に比べると限界があります。
   • 適用: 主に、比較的大面積のパターンや、ある程度のサイズの欠陥を高速で検出するのに適しています。
2. 電子線式パターン検査装置 (E-beam Pattern Inspection)
   • 原理: 電子ビームをウェーハ表面に照射し、そこから放出される二次電子や反射電子を検出して画像を生成します。この高解像度画像を用いて、欠陥を特定します。
   • 特徴:
     • 超高解像度: 光の回折限界の影響を受けないため、ナノメートルオーダーの極めて微細なパターンや欠陥を検出・観察できます。
     • 詳細な解析: 欠陥の形状、サイズ、位置を非常に詳細に把握できます。
   • 適用:
     • Critical Dimension (CD) Metrology: ゲート長や配線幅などの重要寸法の高精度な測定に用いられます（CD-SEM）。
     • Review SEM (Review Scanning Electron Microscope): 光学式検査で検出された欠陥の詳細な分析や、光学式では検出困難な微細欠陥の探索に用いられます。
     • E-beam Inspection (EBI): 全面検査には時間がかかるため、通常は特定の箇所や、重要な工程後のサンプリング検査、あるいは次世代プロセスの開発・立ち上げ時に使われます。
   • 課題: 検査に時間がかかるため、スループットが低い点が挙げられます。

　パターン形成検査装置は、半導体チップの性能、信頼性、そして製造コストに直接影響を与えるため、その技術開発は常に最先端の技術動向と密接に連携しています。AI（人工知能）や機械学習の導入により、欠陥検出の精度向上やデータ解析の効率化が進んでいます。

パターン形成検査装置は、ウェーハ上に作られた回路パターンが設計通りか検査します。光学式で高速に、電子線式で微細な欠陥や寸法を精密に確認しています。欠陥早期発見で歩留まりを高め、品質を保証する重要な装置です。

光学式と電子線式の使い分けは

　半導体前工程のパターン形成検査において、光学式と電子線式はそれぞれ異なる原理と特性を持つため、目的に応じて使い分けられます。

光学式パターン検査装置

• 強み:
  • 高速性: ウェーハ全面を短時間でスキャンし、検査できるため、スループットが高い。
  • 非破壊: 光を用いるため、ウェーハにダメージを与えない。
  • コスト効率: 電子線式に比べて装置コストや運用コストが比較的低い場合が多い。
• 弱み:
  • 解像度の限界: 光の波長による回折限界があり、非常に微細なパターンや欠陥の検出には限界がある。
  • 欠陥の特定能力: 検出はできても、欠陥の種類や詳細な形状を特定する能力は電子線式に劣る。
• 使い分け:
  • インライン検査（全数検査）: 各工程後、ウェーハ全面にわたって高速でスクリーニング検査を行い、大まかな欠陥の有無や数を把握する。
  • 比較的大きな欠陥の検出: 数十ナノメートル以上の異物やパターンの欠け、ブリッジなどの検出。
  • プロセス監視: 定期的に検査を行い、プロセスの安定性を監視し、問題が発生していないかを確認する。

電子線式パターン検査装置

• 強み:
  • 超高解像度: 電子の波長が非常に短いため、ナノメートルオーダーの極めて微細なパターンや欠陥を詳細に検出・観察できる。
  • 詳細な解析: 欠陥の形状、サイズ、位置、時には組成まで詳細に把握でき、欠陥の原因究明に役立つ。
• 弱み:
  • 低速性: 電子ビームをスキャンするため、検査に時間がかかり、スループットが低い。
  • 高コスト: 装置自体が高価であり、真空環境の維持など運用コストも高い。
  • 破壊・損傷の可能性: 長時間電子ビームを照射すると、ウェーハにダメージを与えるリスクがある。
• 使い分け:
  • 欠陥レビュー（詳細解析）: 光学式検査で検出された欠陥の中から、特に重要なものを選び出し、その詳細な形状や種類を特定する。
  • 重要寸法の測定（CD-SEM）: トランジスタのゲート長や配線幅など、性能に直結する微細な寸法の高精度な測定を行う。
  • 次世代プロセスの開発・立ち上げ: 新しいプロセスや材料を導入する際に、極めて微細な欠陥や、光学式では見えない欠陥を探索し、プロセスの最適化に役立てる。
  • サンプリング検査: 特定の層やプロセスにおいて、品質をより厳密に確認するために、一部のウェーハや領域を選んで高精度な検査を行う。

光学式は「広く浅く、速く」欠陥を見つけることに優れ、主に全数検査やプロセス監視に使われます。電子線式は「狭く深く、詳細に」欠陥を見つけることに優れ、主に欠陥の原因究明や最先端プロセスの開発・微細寸法測定に使われます。

パターン形成検査装置の有力メーカーは

　パターン形成検査装置の有力メーカーは、以下の3社が主要なプレーヤーとして挙げられます。

1. KLA Corporation (KLA)（アメリカ）
   • この分野における圧倒的な市場リーダーであり、光学式と電子線式（CD-SEM、Review SEMなど）の両方で幅広い製品ラインナップと高いシェアを持っています。最先端のプロセスノードに対応する高感度・高スループットな装置開発に強みがあります。
2. 日立ハイテク (Hitachi High-Tech Corporation)（日本）
   • 特に電子線技術に強みを持つ企業で、CD-SEM（測長SEM）の分野では世界的に高い評価を得ています。高精細な画像取得と解析により、微細なパターンや欠陥の詳細な分析が可能です。電子線式パターン検査装置も手掛けています。
3. Applied Materials, Inc. (AMAT)（アメリカ）
   • 半導体製造装置の総合メーカーであり、成膜やエッチング装置に加え、パターン形成検査装置（特に光学式検査装置や電子ビームレビュー装置）も提供しています。幅広いソリューションを提供できる点が強みです。

　これらのメーカーは、半導体の微細化と複雑化が進む中で、より高度な検査技術と装置の開発に注力しており、AIや機械学習の導入による検査精度と効率の向上が進められています。