今回のテーマは、
「ウェハ表面の小さな異物や形の欠けを、どうやって見つけるのか」
答え：ウェハに光を当て、はね返った光や散らばった光の変化から、異物や欠けを見つけます。パターンの欠陥は隣のチップと画像を比べ、位置を記録して、一部を拡大して種類を調べます。
この記事でわかること
- ① 欠陥の種類
- ② 明視野と暗視野
- ③ パターン欠陥の探し方
- ④ 欠陥マップとレビュー
- ⑤ 欠陥と歩留まり
※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。
① 欠陥とは何か：異物、傷、パターンの欠け
大事なポイント：欠陥は、回路を壊すおそれがある異物や形の異常です。大きく、異物、傷、パターンの欠陥に分けられます。
前の講で、検査は「あってはいけないものを探すこと」と学びました。その「あってはいけないもの」が欠陥です。ウェハ表面の欠陥は、大きく3つに分けて考えると整理しやすくなります。
- 異物（パーティクル）：ウェハの上に落ちた小さな粒です。ほこり、装置の部品から出る削りくず、薬液に混ざった粒などがあります。これがあると、その下に膜が付かなかったり、線がつながったりします。
- 傷（スクラッチ）：研磨や搬送などで、表面につく細い傷です。
- パターンの欠陥：線が途中で切れる（オープン）、隣の線とつながる（ショート）、形が欠ける、などです。
すべての欠陥が、回路を壊すわけではありません。回路を壊すものは致命的な欠陥（キラー欠陥）とよばれ、参考にした資料には、チップの寸法のおよそ5分の1の大きさの粒子で、致命的になりうると書かれています（目安です）。回路が細くなるほど、より小さな粒を見つける必要があります。そのため、工場は空気をろ過したクリーンルームにして、人から出るほこりも減らしています。欠陥は、種類と大きさ、場所を分けて考えます
確認クイズ：配線が途中で切れてしまう欠陥を、何といいますか？
答え：オープン（断線）です。隣とつながる欠陥はショートです。
② 光で探す：明視野と暗視野
大事なポイント：明視野は反射した光、暗視野は散らばった光を見る方法です。粒を探すには、暗視野がよく使われます。
ウェハの表面は、鏡のように平らです。ここに光を当てると、平らな所では光がきれいに反射します。欠陥があると、その部分では光が散らばったり、反射の向きが変わったりします。この違いを利用して、欠陥を探します。
明視野は、直接はね返ってきた光（反射光）を見る方法です。平らな所が明るく、欠陥は暗く、あるいは濃淡の違いとして見えます。暗視野は、反射した光をわざと避けて、斜めから光を当て、欠陥で散らばった光だけを見る方法です。平らな所は暗いままで、粒や傷のある所だけが明るい点になります。参考にした資料でも、暗視野は散乱光、明視野は直接の反射光を調べるという違いが説明されています。
この2つは、見つけやすい欠陥が違います。資料によれば、暗視野は、表面に付いた粒子を見つけ、大きさを測り、数える目的で早くから使われてきました。また、散乱光の全体的な弱い増え方（ヘイズ）から、研磨にかかわる広い範囲の問題を見つけることもあります。一方、光の散乱が小さく、表面の傾きが少し変わるだけの傷や研磨のくぼみは、暗視野では見えにくく、反射光の変化を見る方法が合う場合があると書かれています。粒は暗視野、傾きの小さな傷は反射光を見る方法、と得意が違うため、組み合わせることもあります
確認クイズ：平らな面が暗く、粒だけが明るい点に見える方式は、明視野と暗視野のどちらですか？
答え：暗視野です。反射光を避け、粒で散らばった光だけを見ます。
③ パターン欠陥は、隣のチップと比べて探す
大事なポイント：パターンのあるウェハでは、同じ回路が並ぶことを利用して、隣のチップと画像を比べ、違う所を欠陥の候補にします。
回路の模様（パターン）がついたウェハでは、模様そのものが光を散らします。そのため、粒を探すときのように「散らばっていれば欠陥」とは言えません。そこで使われるのが、画像の比較です。
ウェハには、同じ回路のチップが、規則正しく並んでいます。そこで、隣り合うチップの同じ場所の画像を撮って比べると、欠陥がなければ、ほぼ同じ画像になります。違う所があれば、そこが欠陥の候補です（一般的な説明です）。設計図を使わずに見つけられるのが、この方法の利点です。
注意点が2つあります。1つは、隣り合う両方のチップに同じ欠陥があると、違いが出ず、見逃すことです。もう1つは、感度の決め方です。感度を上げれば、小さな欠陥まで見つかる一方、模様のわずかな差やノイズまで「欠陥」と判断する（誤検出）ことが増えます。逆に下げると、本物の欠陥を見逃します。感度は、見逃しと誤検出のバランスを見て決めます
確認クイズ：隣り合うチップの両方に、同じ位置の欠陥があると、画像の比較ではどうなりますか？
答え：違いが出ないので、見逃すことがあります。
くわしく見る：画像の比べ方の、簡単な例
画像は、小さな点（画素）の明るさの数字の集まりです。ある場所の明るさが、チップAで100、チップBで150だったとします（仮の値です）。差の大きさは
150 − 100 ＝ 50
です。差がしきい値（ここでは40とします）より大きければ欠陥の候補とします。50は40より大きいので、候補です。しきい値を60に上げると、この点は候補になりません。しきい値は、感度を決める数字の例です。
④ 欠陥マップと、拾い見る観察（レビュー）
大事なポイント：検査装置は、欠陥の位置、大きさ、個数を記録します。その一部を拡大して観察し、種類を判断します。
検査装置は、欠陥を見つけるたびに、ウェハ上の位置（座標）と、おおよその大きさを記録します。これをウェハの形に並べた図が欠陥マップです。
ただし、検査装置が分かるのは、「ここに何かある」までです。それが粒なのか、傷なのか、パターンの欠けなのかは、別の装置で拡大して見る必要があります。そこで、欠陥マップの位置を使って、一部の欠陥を電子顕微鏡などで観察し、種類を判断します。これをレビューとよぶことがあります（一般的な説明です）。全部を見ていると時間がかかるので、一部を選びます。
欠陥マップの形は、原因のヒントになります。たとえば、点が全面に散らばっていれば粒が全体に落ちた可能性、一直線や弧に並んでいれば搬送や研磨でついた傷の可能性が考えられます（一般的な説明です）。位置の並び方と、拡大した観察の結果をあわせて、原因の工程を絞ります
確認クイズ：欠陥マップの点が、ウェハの上で細い一直線に並んでいました。何の欠陥が考えられますか？
答え：傷（スクラッチ）が考えられます。搬送や研磨などでつくことがあります。
⑤ 欠陥の数と、歩留まりの関係
大事なポイント：欠陥が多いほど、またチップが大きいほど、良品の割合は下がります。
第1講で、歩留まりは良品の割合だと学びました。欠陥がウェハの上に散らばって落ちるとすると、チップの面積が大きいほど、欠陥に当たる確率が高くなります。参考にした資料にも、チップが大きいほど欠陥に当たる面積が増えるので、歩留まりが悪くなりやすいと書かれています。
たとえば、同じウェハで、小さなチップと大きなチップをつくったとします。欠陥の数が同じなら、大きなチップのほうが、より多くが欠陥に当たります。また、同じチップなら、欠陥が減るほど良品は増えます。だから、工場は、欠陥の数を減らす努力を続けます。
ここで、検査で見つかった欠陥のすべてが、致命的とは限らないことに注意が必要です。見つかった数と、実際の不良の数は一致しません。電気テストの結果と見比べて、どの欠陥が不良につながるのかを調べます。それが第4講、第5講の内容です。欠陥の数だけでなく、不良につながる欠陥かどうかが大切です
確認クイズ：欠陥の数が同じなら、小さいチップと大きいチップでは、どちらが歩留まりが下がりやすいですか？
答え：大きいチップです。欠陥に当たる面積が大きいからです。
くわしく見る：欠陥から歩留まりを見積もる式（目安）
欠陥が場所に関係なくランダムに落ちる、と単純にしたモデルがあります。チップの面積をA（cm²）、1cm²あたりの欠陥の数をD（個/cm²）とすると、良品の割合は、およそ
Y ≒ e−A×D
です（eは約2.718）。A ＝ 0.5cm²、D ＝ 0.4個/cm²（仮の値）なら、A×D ＝ 0.2 で、Y ≒ e−0.2 ≒ 0.82（約82%）です。チップを4倍の2cm²にすると、A×D ＝ 0.8 で、e−0.8 ≒ 0.45（約45%）に下がります。実際の工場では、欠陥が集まる傾向もあるため、この式はあくまで目安です。
▶ 2級でくわしく：欠陥が集まる場合を含めた、いくつかの歩留まりモデル。
安全のひとこと：検査装置には、光源にレーザーを使うものがあります。光が目に入ると危険なので、装置のカバーを開けたまま使ったり、安全装置を外したりしてはいけません。取り扱いは、必ず職場の決まりと講習に従います。
この講のまとめ
欠陥には、異物、傷、パターンの欠けがあり、回路を壊すものが致命的な欠陥です。
光で探す方法には、反射光を見る明視野と、散らばった光を見る暗視野があります。
パターンは隣と比べ、位置を欠陥マップに記録して、一部を拡大して調べます。
次の第4講では、検査の最後の関門、電気で調べるテストを学びます。
ことばのおさらい
- 欠陥：回路を壊すおそれのある、異物や形の異常です。
- パーティクル：ウェハの上の小さな粒です。
- 致命的な欠陥：1個で、そのチップを動かなくしてしまう欠陥です。
- 明視野：反射した光を見る検査方法です。
- 暗視野：散らばった光だけを見る検査方法です。
- 欠陥マップ：欠陥の位置を、ウェハの形に並べた図です。
- レビュー：見つけた欠陥の一部を拡大して、種類を調べることです。
よくある誤解
Q. 見つかった欠陥は、すべて不良になりますか？
いいえ。回路を壊さない欠陥もあります。電気テストの結果と見比べて、どの欠陥が不良につながるのかを調べます。
Q. 欠陥が1個も見つからなければ、そのウェハは必ず良品ですか？
いいえ。検査装置には見えない小さな欠陥や、光では見つからない不良もあるので、電気テストでも確かめます。
参考にした公式情報
- Semiconductor Digest（SST）「Bright field-bright future」（明視野と暗視野の違い、暗視野は粒子の検出に使われてきたこと、ヘイズ、低コントラストの傷）
- Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（致命的な欠陥と粒子の大きさの目安、クリーンルーム、チップが大きいほど歩留まりが下がること）
歩留まりの式 Y＝e^(−A×D)と、0.5cm²・0.4個/cm²などの数値、画素の明るさの例は、理解のために置いた一般的なモデルまたは仮の値です。パターンの画像比較、レビュー、欠陥マップの形と原因の対応は、一般的な知識にもとづく目安です。パターン付きウェハの検査について本文を読めた専門資料はありません。図は、記事用に描いた簡易の図です。
