半導体の検査・計測とは？工程の途中で調べる理由と歩留まり、検査と計測の違いをわかりやすく解説【検査・計測3級・第1講】

この記事でわかること

• ① 工程の途中で確かめる理由
• ② 歩留まり
• ③ 計測と検査の違い
• ④ いつ、どこで調べるか
• ⑤ 結果の使い道

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① 工程が多いから、途中で確かめる

大事なポイント：半導体は、何百もの工程を順に重ねてつくるので、最後だけ調べると、手遅れになります。

半導体の回路は、ウェハ（シリコンなどでできた薄い円盤）の上に、成膜、露光、エッチング、イオン注入、研磨などの工程を、何度も繰り返してつくります。それぞれの工程のくわしい内容は、各コースで学びます。まだ「半導体とは何か」がはっきりしない場合は、先にデバイス基礎3級を読むと、この講が分かりやすくなります。

ここで大事なのは、工程が前の工程の結果の上に次を重ねる、直列の流れだということです。たとえば、膜の厚さが目標からずれたまま次へ進むと、そのずれの上に、次の層ができてしまいます。参考にした資料にも、ウェハ処理は直列的な工程の連なりなので、工程と工程のあいだに計測が必要になる、と書かれています。

もし、完成してから初めて調べたらどうなるでしょうか。不良が見つかっても、数百ある工程のどこで起きたのか分かりません。しかも、不良のウェハに、その後の工程の時間と費用をかけてしまいます。だから、工程の途中で測り、途中で見つけて、悪いものは早い段階で止めたり、直したりします。途中で確かめるのは、原因を早く見つけて、むだな加工を減らすためです

② 歩留まり：良品が何割できたか

大事なポイント：歩留まりは、ウェハの上にできたチップのうち、正しく動くものの割合です。検査と計測は、これを上げるためにあります。

ウェハの上には、同じ回路が、小さな四角として何百〜何万個も並んでつくられます。この1個ずつのチップを、ダイとよびます。歩留まりは、「ダイのうち、正しく動く良品の割合」です。参考にした資料には、歩留まりは低いこともあると書かれています。

たとえば、ウェハ1枚に500個のダイがあり、400個が良品なら、歩留まりは 400 ÷ 500 ＝ 0.8、つまり80%です。同じウェハをつくる費用は変わらないので、歩留まりが低いほど、良品1個あたりの費用が高くなります。

歩留まりを下げる大きな原因の1つが、小さな異物などの欠陥です。資料には、チップの寸法のおよそ5分の1の大きさの粒子があれば、回路を壊す致命的な欠陥になりうる、と書かれています（目安です）。回路が細くなるほど、より小さな粒が問題になります。また、チップが大きいほど欠陥に当たる面積が増えるので、歩留まりは下がりやすくなります。欠陥を早く見つけて減らすことが、歩留まりを上げる近道です

③ 計測と検査は、何が違うのか

大事なポイント：計測は「どれだけか」を数値で測ること、検査は「あってはいけないものがあるか」を見つけることです。

この講座では、2つの言葉を使い分けます。まず計測は、長さ、厚さ、電気抵抗などを、数値で測ることです。「膜の厚さは102nm」のように、答えが数字で返ってきます。次に検査は、異物、傷、欠けのような、あってはいけないものを探したり、合格か不合格かを判定したりすることです。「異物が3個あった」「この位置に欠けがある」のように、あるかないか、どこにあるかが答えです。

たとえば、膜の厚さを目標の100nmに合わせたいときは計測が要ります。厚いのか薄いのか、どれだけずれているのかを、数字で知る必要があるからです。一方、表面に粒が落ちていないかは、検査で調べます。粒は、大きさや位置が分かれば、原因を探しやすくなります。

ただし、2つの境目はあいまいです。電気テストのように、数値を測りながら合否も決めるものもあります。「数値で答えるのが計測、あるなしを探すのが検査」と覚えれば、まず困りません

④ いつ、どこで調べるのか

大事なポイント：工程の途中で、膜や形、欠陥を調べ、最後に電気で動作を確かめます。全部を調べるわけではありません。

調べる場面は、大きく2つあります。1つは、工程の途中です。成膜のあとに膜の厚さを測る、露光のあとに線の幅を測る、研磨のあとに表面の異物を調べる、といった確認です。もう1つは、回路ができあがったあとの電気の試験です。参考にした資料には、前工程が終わったあと、ウェハ上の各チップに針を当てて電気を試験すること、パッケージに入れたあとにも最終の試験をすることが書かれています。

では、なぜ、すべてのウェハのすべての場所を調べないのでしょうか。理由は、測るのにも時間と費用がかかるからです。資料には、試験の費用は時間に応じてかかり、1秒あたり数セント程度の目安だと書かれています。そのため、途中の計測や検査は、一部のウェハや一部の場所を選んで調べるのがふつうです（一般的な説明です）。重要な工程や、不良が出やすい工程ほど、調べる回数を増やします。

これらの方法は、この講座で順に学びます。第2講は膜の厚さと寸法の計測、第3講は欠陥の検査、第4講は電気テスト、第5講は集めたデータの使い方です。途中の確認と最後の電気テストを組み合わせて、不良を逃がさないようにします

⑤ 調べた結果を、どう使うのか

大事なポイント：結果が基準の範囲内なら次へ進み、外れたら直すか止めます。さらに、傾向を見て装置の調整に戻します。

測った値には、あらかじめ「この範囲なら合格」という基準があります。結果は、次の3つのどれかになります。

1. 範囲内：そのまま次の工程へ進みます。
2. 範囲外だが直せる：やり直せる工程なら、やり直します。たとえば、露光のレジストだけを落として、もう一度つくり直す方法があります（一般的な説明です）。
3. 範囲外で直せない：そのウェハは廃棄します。参考にした資料には、不良のチップが多すぎるウェハは全体を捨てること、不良になりそうなウェハを早く見つけて捨てれば、後の工程の費用を節約できること、が書かれています。

もう1つの使い道は、傾向を見ることです。合格はしていても、膜の厚さが少しずつ目標からずれてきたら、装置に何か変化が起きているサインです。早めに装置を調整すれば、不良になる前に防げます。このように、調べた結果を工程に戻して、不良を減らし続けることが、検査・計測の本当の役目です。第5講で、この考え方をくわしく学びます。

この講のまとめ

次の第2講では、計測のうち、膜の厚さと線の幅の測り方を学びます。

ことばのおさらい

• 歩留まり：ウェハ上のダイ（チップ）のうち、正しく動くものの割合です。
• ダイ：ウェハの上に並んでつくられる、1個ずつのチップです。
• 計測：長さ、厚さ、電気抵抗などを数値で測ることです。
• 検査：異物や傷、欠けのようなあってはいけないものを探すこと、または合否を判定することです。
• 致命的な欠陥：1個あるだけで、そのチップを動かなくしてしまう欠陥です。

よくある誤解

Q. 検査をすれば、不良はなくなりますか？

いいえ。検査は、不良を見つけて知らせるものです。原因の工程を直して、はじめて不良が減ります。

Q. 良品の数が多ければ、歩留まりは高いのですか？

いいえ。歩留まりは割合です。ダイの数が違えば、良品の数だけでは比べられません。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（歩留まりの定義、工程間の計測、欠陥検査、ウェハ全体を捨てる場合、致命的な欠陥と粒子の大きさの目安、試験の費用）
• Wikipedia「Wafer testing」（ウェハテストの位置づけ、全ダイの試験）

歩留まり80%、工程の合格率98%などの数値は、理解のために置いた仮の値です。検査を一部のウェハで行うこと、レジストのやり直しは、一般的な知識にもとづく目安です。図は、記事用に描いた簡易の図です。