半導体製造におけるCoherentの活躍 ウェハ検査
CoherentのUVレーザは、半導体ウェハ上の微細な欠陥の検出を可能にし、歩留まりの最大化とコスト削減において重要な役割を果たしています。
2024年10月17日、Coherent
1960年代にNASAが月面着陸のために使用したアポロ誘導コンピューター（AGC）は、当時の価格で約1億5千万ドル（現在の価値で10億ドル）を費やし、電子レンジほどの大きさで重さは約32 kgでした。
現在では、最高級のiPhone 15が1600ドルで購入でき、手のひらに収まるサイズです。そのiPhoneは、毎秒の処理能力で見ると、AGCよりも約2億倍も高性能です。
このマイクロプロセッサの性能向上は、Intelの共同創業者ゴードン・ムーアによって予測されました。彼は、マイクロチップ上のトランジスタ数が約2年ごとに倍増すると述べています。しかし、先ほどの比較は「ムーアの第二法則」とも呼ばれるムーアの法則の重要な帰結も強調しています。つまり、1ドルあたりのマイクロプロセッサの性能も時間とともに指数関数的に向上するということです。
ムーアの第一および第二法則は、半導体業界が同時に2つの異なる目標を達成することに注力してきたため、長年にわたり成り立っています。一つ目の目標は回路要素や組立体を小型化すること、二つ目はコストを徹底的に削減することです。
半導体製造における重要なコスト要因の一つが歩留まりであり、これに影響を与える大きな要因の一つが製造環境内の欠陥や汚染物質です。欠陥を減らすために、メーカーはクリーンルームなどの設備に多大な投資を行い、汚染を初期段階から防止します。さらに、発生した欠陥の影響を最小限に抑え、最適な歩留まりとコスト効率を確保するために、先進的な検査技術も導入しています。
ウェハ検査におけるレーザ技術
レーザは半導体検査に最適なツールです。その理由は、レーザは感度と速度の比類ない組み合わせを提供する非接触的な方法だからです。さらにレーザは極めて汎用性が高く、さまざまな種類の検査タスクを実行するために最適化することができます。
その結果、レーザはマイクロエレクトロニクス業界の黎明期から検査に使用されてきました。1960年代後半、レーザが市場に登場して間もなく、ウェハの平坦度や厚さの測定といった計測作業に既に活用されていました。
1980年代に入り、半導体デバイスがより小型化し複雑化すると、業界は他のレーザを使った検査手法を採用し始めました。これらの技術は、ウェハ表面にレーザビームを照射し、反射光を解析することで、粒子や傷、パターンのずれといった欠陥を検出する方法です。この時期には、より高度なレーザを使った検査システムが開発され、高品質な半導体製造に不可欠な微細な欠陥の検出が可能になりました。
次の数十年で、レーザを活用した手法は大きく進化し、散乱解析などの先進的な計測技術が導入されました。散乱解析は、ウェハ表面からの反射光のパターンをレーザで解析することで、従来は検出できなかった微細な欠陥の発見を可能にしました。
小さな回路が検査に大きな課題を生み出す理由
チップの世代が進むごとに、ウェハ検査の重要性と難易度がますます高まっています。その理由は、ノードのサイズを小さくするたびに、チップのアーキテクチャが複雑になり、新しい材料と、より小さく、より複雑な機能が組み込まれるようになるからです。これらの進歩は、性能の限界を押し広げる一方で、欠陥が生じる新たな可能性ももたらします。そして、これほど小さなスケールの作業では、ウェハ内の最も小さく軽微な欠陥でさえ機能不全のチップにつながる可能性があります。
したがってメーカーは、主要な加工ステップを終えるたびに厳格な検査を行い、欠陥を早期に発見しなければなりません。こうした検査を行うことによって、歩留まり（ウェハあたりの使用可能なチップ）、スループット（生産スピード）、そして最終的には収益性を最適化することができます。
回路の小型化という特徴により、検査の必要性が劇的に高まっており、この検査はしばしばレーザによって最適に行われます。
ここで理解すべき重要な概念は、欠陥検出の限界を広げるには短波長レーザが必要であるという点です。なぜなら、光の散乱効率は光の波長と検査対象の特徴や欠陥のサイズとの関係に依存するからです。特徴の寸法が光の波長よりもかなり小さい場合、散乱効率が低下し、これらの特徴や欠陥からの信号が弱まります。つまり、このような欠陥は検出できない可能性があり、少なくとも大量の半導体製造に対応する時間内では困難です。
光の散乱と欠陥サイズの関係から、より小さな欠陥を検出するには短波長レーザが必要になります。現在、最も高度なウェハ検査作業には266 nmレーザが使用されています。
20年前、トランジスタが扱いやすい110 nm以上の大きさだった頃、欠陥検出には可視光グリーンレーザ（532 nm）と紫外線（UV）レーザで十分でした。しかし、回路の微細化により、業界は深紫外線（DUV）レーザへの需要が高まっています。
Coherentはこの課題に正面から取り組み、2002年に画期的なAzureレーザを導入しました。このレーザは光励起半導体（OPS）技術を使用して緑色の出力を生成し、これを周波数倍増させて266 nmのDUVを実現します。
Azureは単一の周波数安定化波長で連続波（CW）出力を提供します。Azureレーザは、狭い波長、高出力、低ノイズ、そして極めて高い安定性を兼ね備えており、高スループットの半導体製造に必要な速度で小さな欠陥を確実に検出できます。
Coherentが他社と一線を画しているのは、長寿命かつ信頼性の高い高出力の深紫外線レーザを提供できる点にあります。これを実現できる理由はいくつかあります
まず、当社は自社で非線形結晶を製造しています。深紫外線領域での作業には、非常に高い精度で製造された極めて高品質の結晶が不可欠です。必要な品質レベルを備えた周波数倍増結晶を得るには、自社で製造するしかありません。
さらに、当社はレーザ内の光学マウントに独自の特許技術であるPermAlign構造を採用しています。このマウントは優れた長期安定性を提供し、一切の調整が不要です。PermAlignマウントにより、レーザ共振器を気密封止でき、これがレーザ性能に影響を与える環境汚染物質の侵入を防ぐ重要な要素となっています。さらに、レーザは最初からクリーンルーム環境で半自動化手法を使用して組み立てられ、初期段階での汚染を完全に防止しています。これにより、製品ごとの高い一貫性も確保されます。
加工中のウェハチャックにおける部品適合性のGo/No Goチェック
また、ウェハ検査には、高速な動作と部品取扱いの機構に加え、測定ノイズを最小限に抑えるための非常に安定した表面が求められます。当社は、最も高度な検査システムに必要な低熱膨張率（CTE）、高強度、および高い強度対重量比を備えたステージやその他のツール向けに、反応結合シリコンカーバイド（RBSiC）を供給しています。
将来のロードマップ
半導体業界がさらに小さなノードに向かって進歩するにつれ、検査レーザへの要求はますます厳しいものになっています。幸いにも、これはCoherentのコアとなる強みと完全に一致しています。私たちは大手のウェハ製造機器メーカーと密接な協力関係を維持しており、当社の製品が半導体製造プロセスのニーズに適合しているだけでなく、それを見越した対策が取られていることを保証しています。このようにCoherentは、現在、そして未来の検査の課題を、メーカーが克服できるよう支援します。
Coherent Azureレーザの詳細をご覧ください。
