欠陥検査とは？ ウェーハ上のパーティクルや傷をどう見つける？

半導体工場でいう欠陥検査（英語ではdefect inspection）は、ウェーハ全体を見て、あってはならないものがどこにあるかを探すことです。余計なパーティクル（微粒子）、1本の傷、角が欠けたパターン、洗い落とすはずだった残りかす。見つけたら、その一部を電子顕微鏡でよく見て正体を確かめ、すべての点を地図に描いて、どう分布しているかを見ます。そこから、どの工程、どの装置に問題があったかを判断します。

欠陥検査と計測はどう違う？

計測が問うのは「どれだけ」。膜の厚さ、線の幅、上下の層がどれだけずれずに重なっているか。数字が正しいかを確かめます。検査が問うのは「おかしなところはないか」。ここに余計なものがないか、あそこが欠けていないか。2つの役割分担や、膜厚と線幅の測り方は「半導体工場は、工程がうまくいったかをどう確かめる？」で書きました。この記事では検査だけを、最初から最後までたどります。

ウェーハ上の欠陥はどんな見た目？

よくあるのは次のようなものです。

• 余計なものがある：パーティクル、前の工程の残りかす、乾いた水の跡。
• 欠けている：パターンの角が欠ける、線が途中で切れる。
• つながっている：離れているはずの2本の線のあいだに小さなかたまりがあり、つながってしまう。
• 傷：硬いものが引きずられて、1本の線が残る。

欠陥がすべてチップをだめにするわけではありません。チップとチップのあいだのすき間や、影響のない場所に落ちれば、チップはそのまま動きます。線を切ったり、2本の線をつないだりすれば、そのチップは不良です。線が細いほど、小さなパーティクルでも致命傷になります。欠陥が多いほど不良のチップが増え、歩留まりが下がります（「ニュースの「歩留まり」とは？」）。

欠陥はどう見つける？ 順を追って

ステップ1：光でウェーハ全体を走査する

検査装置は光を当てながらウェーハ全体を走査し、怪しいところを見つけるたびに、その位置とおおよその大きさを記録します。光を使うのは、ウェーハ全面を見きれるほど速いからです。電子顕微鏡のほうがずっとよく見えますが、遅すぎて、全面をそれで調べていたらロットが止まったままになります。全面を走査しなければ、いくつかの場所しか見られず、ほかに落ちたものはすべて見逃します。

ステップ2：となりのチップと比べ、違うところを記録する

1枚のウェーハ上のチップはどれも同じパターンなので、装置は各チップをとなりのチップと比べ、同じところは無視し、違うところを座標つきで怪しい点として記録します。こうするのは、チップの上はもともと線だらけで、1枚の画像だけでは、どれが設計どおりの線で、どれが余計なかたまりかが分からないからです。となりと比べなければ、線のすべてが欠陥に見え、本物の欠陥がその中に埋もれてしまいます。

ステップ3：一部を電子顕微鏡でよく見る（欠陥レビュー）

光でわかるのは「ここに何かがある、大きさはこのくらい」だけで、それが何かはわからないので、電子顕微鏡が座標をたどって一部の点を拡大して撮り、パーティクルか、傷か、残りかすか、2本の線がつながったものかに分類します。これを欠陥レビューと呼び、今はコンピュータが先に分類し、人が確かめることが多くなっています。分類するのは、欠陥の種類によって出どころが違うからです。よく見ずに直しにいくと、別の装置を直してしまうかもしれません。

ステップ4：すべての点を欠陥マップに描き、分布を見る

どの点にも座標があり、ウェーハの図の上に描くと欠陥マップになります。形を見るのは、散らばる、ひとかたまりになる、線に並ぶ、で疑う原因が変わるからです（次の節）。「このウェーハに何個」と数えるだけでは、どの工程が悪いのかわかりません。同じ30個でも、散らばったものと弧を描いて並んだものは、まったく別の話です。

ステップ5：管理限界を超えたら、止めて原因を探す

走査したウェーハごとに、欠陥の数を管理図に1点打ちます。点が限界を超えたら、そのロットをいったんホールドし、OCAPに沿って、このウェーハがどの装置を通ったか、どのロットから数が増えはじめたかを調べます（「SPCの管理図とは？」「OCAPとは？」）。止めるのは、原因が残っていれば、あとのロットも同じ目にあうからです。止めなければ、問題のある装置がロットを次々に処理し、だめになるウェーハが増え続けます。

欠陥マップの形は、何を指している？

以下は教科書や論文でよく挙げられる方向です。どれも手がかりで、答えではありません。

• 規則性なく散らばる：ランダムに落ちたパーティクルに近く、ひとつの原因を見つけるのは難しい。
• ひとかたまり：どこか1か所で何かが起きた。たとえば薬液が残したしみ、装置の中から落ちてきたかたまり状のごみ。
• 1本の線、1本の弧：多くは傷です。搬送用のアームがこすったのかもしれません。CMPで磨くとき、研磨液の中で固まった大きな粒や、研磨パッドのくずが引きずられたのかもしれません（「CMPとは？」）。
• 外周に集まる：ウェーハのいちばん外側は、もともと均一に仕上げにくい場所です。ウェーハをつかんだり運んだりするときに触れるのも端です。
• 露光のショットごとに同じ位置：露光装置は1ショットずつ焼き付けるので、問題はフォトマスクについてくることがよくあります。マスクの汚れ1つが、ショットのたびに焼き付けられます（「半導体工場のマスクエンジニアは何をしている？」）。1ショットに何個ものチップが入ることが多く、汚れが焼き付くのはそのうち1個だけなので、ステップ2のとなりとの比較で見つかります。1ショットにチップが1個だけのときは、引き算で一緒に消えてしまうので、設計データと比べたり、フォトマスクそのものを検査したりして見つけます（「半導体工場は、工程がうまくいったかをどう確かめる？」）。

もうひとつの方法もあります。同じウェーハを、ある工程の前に走査し、あとでもう一度走査する。増えた点が、その工程で加わった分です。装置を確かめるためだけに流すモニターウェーハも、よくこの使い方をします（くわしくは「モニターウェーハ、ダミーウェーハとは？」）。

ウェーハが完成すると、ウェーハテストで1個1個のチップの良品・不良を位置どおりに描いたウェーハマップができます（「WATとは？ ウェーハマップから、どこで失敗したかをどう読む？」）。途中の欠陥マップをそれに重ねると、どの種類の欠陥が落ちたチップが本当に不良になったか、どの種類は影響がなかったかがわかります。ウェーハマップの読み方は、欠陥マップとよく似ています。

なぜ全部のウェーハを、全部の工程で検査しないのか

1枚走査するにも時間がかかり、検査装置の台数にも限りがあります。全部のウェーハを全部の工程で走査すれば、ロットが検査装置の前に並び、1枚のウェーハが仕上がるまでの時間がのびます。小さなものを探そうとするほど走査は遅くなり、誤報も増えます。規格内のわずかな膜厚や線幅の違いまで「違う」と拾ってしまうからです。

そこで多くは抜き取りです。1ロット（ウェーハケース1つに最大25枚）から数枚だけを走査することが多く、それも大事な工程のあと、たとえばリソグラフィの現像のあと、エッチングのあと、CMPのあとに置きます。とくに大事なのは現像のあとの検査です。パターンはまだレジストの上にしかないので、問題があればはがしてリワークできます。エッチングしてしまえば、もう戻れません。新しいプロセスや修理したばかりの装置はこまめに走査し、安定すれば回数を減らします。

パーティクルはどこから来る？

大きく分けて4つです。

• 人：皮膚のかけら、髪の毛、衣服の繊維。だからクリーンルームでは防塵服を着ます（「クリーンルームでは、なぜ全身を覆う防塵服を着るのか」）。
• 装置：動く部品はすり減ってくずを出します。チャンバーの壁に少しずつ積もったものは、厚くなるとはがれ落ちます。ウェーハを運ぶアームがこすったり、ぶつけたりすることもあります。
• 薬液、水、ガス：薬液、洗浄用の水、装置に送るガスの中の小さな粒が、いっしょにウェーハに乗ってしまいます。
• 空気：天井のフィルタと、上から下へ吹く風で防ぎます（「クリーンルームはどれくらいきれい？」）。

だから欠陥マップに点が増えたとき、探すのは「誰がほこりを持ちこんだか」だけではありません。どの装置、どの薬液のタンクに問題があるかを探すことも多いのです。

fab24hrでは

「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「量産工場」を押し、左右にスワイプして装置エンジニアで止め、名前の下の「CMP」を押すと、CMP装置エンジニアになります。昼シフトの13:40、CMPプロセスのピンユーから電話が来ます。MET-05が、午前中にCMP-02で磨いたモニターウェーハを走査し終えたところで、表面に曲がった傷が数本ある。同じ時間帯に磨いたC-4111は、先にホールドしたそうです。MET-05で欠陥スキャンの図を開き、たくさんの輝点の中から今回の問題を指します。平行で、同じ向きに曲がった3本の線は、引きずられてできたもの。外周の数個や、ばらばらの小さな輝点は、いつもあるものです。続いて研磨液の供給キャビネットで1項目ずつ確かめ、フィルタが詰まっていることを突き止めます。

同じ工場のリソグラフィのプロセスエンジニアは、夜シフトの18:30、現像後検査から連絡を受けます。P-8A02の全ウェーハに同じ欠陥がある。ウェーハ全体のショットの中から、どのショットでも同じ位置にあるその点を見つけます。洗浄のプロセスエンジニアの朝シフトでは、モニターウェーハの洗浄後のパーティクル数が3日続けて上がっていて、洗う前と洗ったあとを1枚ずつ比べます。品質保証エンジニアの深夜シフトでは、出荷前の表面検査で25枚から5枚を抜き取ったところ、2枚の外周に傷があり、そのうち1本はチップが並ぶ場所まで入りこんでいます。

ゲームの会社、人物、装置番号、ロット番号は架空のものです。欠陥検査の進め方、傷やパーティクルの出どころは、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。