半導体前工程：検査工程　どのような検査があるのか？ウェーハ表面検査とは何か？

この記事で分かること

ウェーハ表面検査

　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。

　今回は工程が正確に行われているのかを検査する装置に関する解説となります。

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。

前工程の検査について

　半導体前工程における検査は、高品質な半導体チップを効率的に製造するために極めて重要な役割を担っています。ウェーハ上に何層にもわたって微細な回路を形成していくため、各工程で発生するわずかな欠陥や不具合が、最終製品の不良につながる可能性が高く、工程の早期段階で問題を発見し、排除することが求められます。

検査の目的

• 欠陥の早期発見と不良品の排除: 製造過程で発生する微細な異物（パーティクル）、回路パターンの異常、膜厚の不均一性、結晶欠陥などを早期に検出し、その後の工程が無駄になるのを防ぎます。
• 歩留まりの向上: 不良品を早期に発見・排除することで、最終的に良品として出荷できるチップの割合（歩留まり）を高め、製造コストを削減します。
• プロセス改善: 検査で得られたデータを分析することで、どの工程でどのような問題が発生しているかを特定し、製造プロセスの最適化や改善に繋げます。
• 品質保証: 最終製品の性能や信頼性を保証するために、各工程での品質基準を満たしているかを確認します。

主な検査の種類と内容

　前工程では、物理的な検査（形状、膜厚、欠陥など）と、電気的な特性検査が段階的に行われます。

ウェーハ表面検査（異物・欠陥検査）:

• 目的: ウェーハ表面の微細なパーティクル（異物）やスクラッチ（傷）、結晶欠陥などを検出します。
• 方法: レーザー光をウェーハ表面に照射し、異物からの散乱光を検出する方式（光散乱式）や、光学顕微鏡、電子顕微鏡（SEM）を用いた画像処理による検査が一般的です。特に、微細化が進むにつれて、ナノスケールの欠陥を検出する能力が重要になります。
• 実施タイミング: 各成膜、エッチング、洗浄工程の前後など、多くの工程で繰り返し行われます。

パターン形成検査 (Pattern Inspection):

• 目的: フォトリソグラフィとエッチングによって形成された回路パターンが、設計通りに正確に形成されているかを確認します。
• 方法:
• 光学式検査: 高解像度カメラでウェーハ表面をスキャンし、基準パターンと比較して、パターンの欠け、ブリッジ、異物付着などを検出します。
• 電子線（E-beam）検査: 特に微細なパターンや、光学式では検出困難な欠陥に対して、電子線を照射して高解像度の画像を取得し、欠陥を特定します。欠陥の種類（オープン、ショート、異物など）の分類も行われます。
• 実施タイミング: 主に露光、エッチング工程後。

寸法検査 (Critical Dimension (CD) Metrology):

• 目的: 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測定し、設計値通りであるかを確認します。
• 方法: 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いたCD-SEMが主流です。原子間力顕微鏡（AFM）なども用いられます。

膜厚・組成検査 (Film Thickness & Composition Metrology):

• 目的: 形成された薄膜（絶縁膜、導電膜など）の厚さや均一性、化学組成が設計通りであるかを確認します。
• 方法: 楕円偏光解析法、X線反射率法（XRR）、蛍光X線分析（XRF）、ラザフォード後方散乱分光法（RBS）など、様々な光学的手法やX線を用いる手法があります。

電気的特性検査 (Electrical Test / Wafer Sort / Probe Test):

• 目的: ウェーハ上に形成された個々のトランジスタや抵抗、コンデンサなどの素子、あるいはテストパターン（TEG: Test Element Group）の電気的特性（抵抗値、電流-電圧特性、しきい値電圧など）を測定し、設計通りの特性が出ているかを確認します。
• 方法: プロ―バーと呼ばれる装置と、プローブカード（多数の微細な針が付いたカード）を用いて、ウェーハ上の各チップのパッドに接触させ、テスター（測定器）で電気信号を印加し、応答を測定します。不良チップにはインクマークをつけたり、データで記録したりします。
• 実施タイミング: 前工程の最終段階、または重要な素子形成後。

検査の課題と進化

　半導体の微細化と積層化が進むにつれて、検査技術は以下のような課題に直面し、進化を続けています。

• 検出限界の向上: ナノメートルスケールの欠陥を確実に検出する必要があり、より高解像度で高感度な検査装置が求められます。
• 検査時間の短縮: 膨大な数のチップ、何十層ものパターンを検査するため、検査時間の短縮とスループット（処理能力）の向上が不可欠です。
• データ量の増大と解析: 検査によって得られるデータは膨大であり、これを効率的に解析し、欠陥の種類や原因を特定する技術が重要です。AI（人工知能）や機械学習の活用が進んでいます。
• 隠れた欠陥の検出: 多層構造化により、表面からは見えない下層の欠陥を検出する技術も重要になっています。
• インライン検査の推進: 各工程の装置内に検査機能を組み込み、リアルタイムで品質をモニタリングすることで、不良品の早期発見とプロセスの迅速なフィードバックを可能にする取り組みが進んでいます。

　前工程における検査は、半導体チップの品質とコスト、そしてひいては社会を支える電子機器の進化に直結する、非常に重要なプロセスです。

ウェーハ表面検査（異物・欠陥検査）について

　半導体前工程におけるウェーハ表面検査（異物・欠陥検査）は、製造プロセスの初期段階から、そして各主要工程の合間に繰り返し行われる、極めて重要な品質管理プロセスです。その目的は、ウェーハ表面に付着した微細な異物（パーティクル）や、スクラッチ、ピット、結晶欠陥などのあらゆる物理的な欠陥を検出することにあります。

なぜ重要なのか？

　半導体デバイスは、その機能を発揮するために、原子レベルで制御された非常に微細な構造を何層にもわたって形成します。この過程で、わずか数ナノメートル（nm）の異物や欠陥が一つでも存在すると、以下のような深刻な影響を及ぼす可能性があります。

• 回路の断線・ショート: 配線やトランジスタの形成時に、異物がその部分に位置すると、回路が繋がらない（オープン）か、意図しない場所で繋がってしまう（ショート）原因となります。
• 特性の劣化: ゲート絶縁膜などの重要な膜に欠陥があると、リーク電流が増加したり、素子の信頼性が低下したりします。
• 歩留まりの低下: 一つの欠陥が原因で、そのチップ全体が不良品となり、製造コストの増大につながります。
• 信頼性の問題: 最終製品として出荷された後に、欠陥が原因で故障が発生するリスクがあります。

これらの問題を防ぐため、可能な限り早期に、微細な欠陥を検出し、その後の工程に進まないようにすることが求められます。ウェーハ上に多数のICチップを作り込むため、工程初期に発生した不良は、その後の長い工程の作業を無駄にしてしまうため、非常に効率が悪くなります。

主な検査方法と原理

ウェーハ表面検査には、主に以下の方法が用いられます。

1. 光散乱式検査 (Light Scattering Inspection):
   • 原理: クリーンなウェーハ表面は鏡のように滑らかで、光をほとんど散乱させません。しかし、異物や欠陥が存在すると、その部分でレーザー光が散乱されます。この散乱光を高性能な検出器で捉えることで、異物や欠陥の存在とその位置（X, Y座標）を特定します。
   • 特徴:
     • 高速性: ウェーハを高速で回転させながらレーザーをスキャンすることで、ウェーハ全面を短時間で検査できます。
     • 高感度: 数十ナノメートルオーダーの微細なパーティクルも検出可能です。
     • 非破壊: ウェーハに物理的なダメージを与えずに検査できます。
   • 適用: 主にパターンが形成されていないウェーハ（ベアウェーハ）や、成膜後の平坦な膜表面の異物検査に用いられます。結晶欠陥（COP: Crystal Originated Particle）の検出にも応用されます。
2. 画像処理式検査 (Image-Based Inspection):
   • 原理: 高解像度のカメラや光学顕微鏡、または走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、ウェーハ表面の画像を撮影します。この画像を、良品から事前に取得した基準画像や設計データ、あるいは隣接するパターン（ダイ・トゥ・ダイ比較）と比較することで、欠陥を検出します。画像データから、傷、汚れ、クラック、あるいはパターンの欠陥などを特定します。
   • 特徴:
     • 詳細な解析: 欠陥の形状や種類を画像で確認できるため、原因特定に役立ちます。
     • 多様な欠陥検出: 異物だけでなく、スクラッチやピット、微細なパターン欠陥なども検出可能です。
     • 高解像度: 特にSEMを用いる場合、極めて微細な欠陥も視覚的に確認できます。
   • 適用: パターン形成後のウェーハや、より詳細な欠陥分析が必要な場合に用いられます。AIを活用した画像解析で、検出精度と効率が向上しています。
3. 電子線（E-beam）検査:
   • 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作成します。これにより、光学顕微鏡では見えない非常に微細な凹凸や異物を高解像度で観察できます。
   • 特徴:
     • 超高解像度: ナノメートル以下の欠陥も検出・観察可能です。
     • 詳細な情報: 欠陥の形状や深さ、元素組成などの詳細な情報を得られます。
   • 適用: 最も微細な欠陥の特定や、欠陥の詳しい解析、原因究明に用いられます。光学式では検出できないような、隠れた欠陥の検出にも有用です。ただし、検査に時間がかかるため、通常は全数検査ではなく、サンプリング検査や特定の欠陥解析に用いられます。

検査のタイミング

　ウェーハ表面検査は、製造プロセスの様々な段階で行われます。

• ウェーハメーカーからの受け入れ時: シリコンウェーハの初期品質を確認。
• 各成膜・エッチング・洗浄工程の前後: 各工程で発生しうる異物や欠陥をタイムリーに検出。
• 重要工程後: 例えば、ゲート電極形成後など、回路の性能に直結する重要な工程の後に集中的に実施。

課題と進化

• 検出限界の向上: 半導体の微細化に伴い、検出すべき異物や欠陥のサイズがますます小さくなっており、より高感度な検出技術が求められています。
• 高速化とスループット: 検査時間短縮と同時に、より多くのウェーハを処理できるスループットの高い装置が求められます。
• データ解析: 膨大な検査データから、本当に重要な欠陥（キラー欠陥）を識別し、その発生原因を迅速に特定するための高度なデータ解析技術（AI、機械学習）の導入が進んでいます。
• 隠れた欠陥の検出: 多層構造化により、表面からは見えない下層の欠陥を検出する技術も重要になっています。

　ウェーハ表面検査は、半導体製造における品質と歩留まりを維持・向上させるための要であり、常に技術革新が求められる分野です。

ウェーハ表面検査装置の有力メーカは

　ウェーハ表面検査装置の有力メーカーはいくつかありますが、特に市場をリードしているのは以下の企業です。

• KLA Corporation (KLA):アメリカの企業で、ウェーハ表面検査装置において圧倒的な世界シェアを誇ります。光散乱式検査装置やパターン検査装置、CD-SEM（寸法検査装置）など、多岐にわたる検査・計測装置を提供しており、特に異物・欠陥検査の分野では非常に強力な存在です。
• 日立ハイテク (Hitachi High-Tech Corporation):日本の企業で、KLAに次ぐ有力メーカーの一つです。電子顕微鏡技術を応用した高精度なCD-SEMや、高感度・高スループットのウェーハ表面検査装置「LSシリーズ」などを開発・提供しており、微細な欠陥検出に強みを持っています。
• Applied Materials, Inc. (AMAT):アメリカの半導体製造装置大手で、成膜・エッチング装置だけでなく、検査・計測装置も幅広く手掛けています。特に外観検査装置の分野でKLAに次ぐシェアを持っています。
• ASML Holding N.V. (オランダ):主に露光装置で知られる企業ですが、検査装置分野にも力を入れています。

　これらの企業は、半導体の微細化と積層化が進む中で、より微細な欠陥を高速かつ高精度に検出するための研究開発に多額の投資を行っています。