この短いメモは、シリコンウェーハの検査に使用される半導体計測で使用される方法論をまとめたものです。
半導体計測とは、ASICの製造に使用されるウェハーの精密な測定と分析を指します。その目的は、デバイス製造における原子スケールでのトランジスタ配置の品質と性能を確保することであり、製造工程におけるピコメートル単位の誤差でさえ歩留まりに影響を与えるためです。
以下に、品質測定に使用される技術と機器の一部、およびプロセスにおけるそれぞれの役割の概要を示します。
生物学などで用いられる従来の光学顕微鏡では、位相差を検出するために、光が試料を直接透過する必要があります。しかし、シリコンウェハは完全に不透明で反射率が高いため、光が透過しないため、これらの標準的なシステムは使用できません。
代わりに、ウェーハ検査では反射光が使用され、明視野、暗視野、DIC（微分干渉コントラスト）などいくつかの種類があります。明視野では、ウェーハに真下から光を照射し、反射光を直接上方に反射させます。一方、暗視野では、ウェーハに急な斜めの角度で光を照射し、粒子汚染、ヘアラインスクラッチ、マイクロ欠陥などの隆起した欠陥を検出できます。
ウェハーにとって最も興味深いのは、偏光と特殊なウォラストンプリズムを使用して光を2つの経路に分割し、表面で反射させてから再結合させる微分干渉コントラスト顕微鏡です。ウェハーを3Dのように観察することで、微細な高さの違いや表面の質感を明らかにすることができます。
(画像出典: Nikon Microscopy)
走査型電子顕微鏡（SEM）は、光学顕微鏡よりもはるかに微細な構造を観察できるため（解像度が100倍高い）、半導体製造において最も一般的に使用されている装置の一つです。SEMは光の代わりに集束された電子ビームを用いてウェハ表面を走査し、その形状や組成を高解像度で立体的な画像として得ることができます。
光学顕微鏡は「一度に画像」を撮影できるのに対し、SEMは非常に細い電子ビームでウェハを点ごとに「走査」し、画像を再構成する必要があります。各ピクセルの明るさは、ウェハ上の対応する位置から検出された電子の数によって決まります。走査には機械部品は使用せず、磁気コイルを用いて磁場を発生させ、電子ビームをわずか数ナノメートル幅のスポットに集束させます（これは、旧式の大型ブラウン管テレビにやや似ています）。
原子間力顕微鏡（AFM）は走査型電子顕微鏡（SEM）とは根本的に異なります。電子を用いるSEMとは異なり、柔軟なカンチレバーに取り付けられた極細の探針を用いて、原子スケールで表面の形状を「感知」し、マッピングします。これは、盲人が点字を読むのとよく似ています。AFMは表面の形状を測定します。
走査型電子顕微鏡（SEM）と同様に、原子間力顕微鏡（AFM）は表面を点ごとにスキャンします。ただし、放出された電子を記録する代わりに、AFMは探針の高さ、カンチレバーのたわみ、相互作用力など、複数のパラメータを測定することで、真の3D表面マップを作成します。
カンチレバーは、複数のモードで観測対象と相互作用することができます。接触モードでは、先端はウェーハと常に接触した状態を維持します。タッピングモードでは、カンチレバーは共振周波数付近で振動し、表面との短い接触によって振動振幅が変化します。また、吸引力を測定原理とする非接触モードもありますが、このモードでは信号対雑音比が低くなる傾向があります。
X線回折（XRD）は、主にウェハーの表面を調べる従来の装置とは大きく異なり、材料内部の結晶（または原子）構造をプローブする。
X線回折（XRD）は、シリコンウェハーの結晶方位、格子間隔、歪み、結晶品質が正しいかどうかを判断するための、最も重要な非破壊測定機器の一つです。表面顕微鏡でウェハーに欠陥がないように見えても、XRDで検出される結晶格子のわずかな変化がトランジスタの性能や製造歩留まりに大きな影響を与える可能性があるため、XRDは不可欠です。
＃＃ まとめ
| 方法 | # | 解像度 | 速度 | コスト | 一般的な用途 | | —————— | —- | ———– | ——— | —- | —————————– | | 光学 | ~ 2D | ~0.2 µm | 非常に高速 | 低 | 通常のウェーハ検査 | | SEM | ~ 2D | 1–10 nm | 低速 | 高 | 詳細な欠陥分析 | | AFM | 3D | <1 nm (垂直) | 非常に低速 | 高 | 表面粗さ測定 | | X線 | 3D | 変動あり | 中程度 | 高 | 内部構造検査 |
このメモの2つ目の内容は、TNOのスピンオフ企業であり、現在では欧州半導体エコシステムの一員として規模を拡大しているNearField Instrumentについてです。同社の最新製品はQUADRAと呼ばれる原子間力顕微鏡システムです。
下の図は、QUADRAシステムの単純化された概略図です。
注目すべき点がいくつかあります。
熱制御: AFMはプローブ周辺の温度変動に非常に敏感です。そのため、チップの動きを制御するシステムが発生する熱が少ないほど良いです。
スキャンライン方式とステッチ方式: 最新のシステムは、従来のタイル測定をステッチする方式から、完全なスキャンラインと途切れのないウェハ測定へと進化しました。
微調整: システムが継続的な微調整を必要とする場合でも、重要なのは、学習が予測可能になるように、非常に信頼性が高く再現性のあるデータを生成することです。
パフォーマンス（レイテンシ）：処理するデータ量が膨大であるため、レイテンシとして測定されるデータ転送のパフォーマンスは、最適な動作に不可欠です。
データ分析とドリルダウン：QUADRAは大量のデータを生成するため、システムはKPIを中心に運用する必要があります。各KPIについて、ユーザーは特定の測定データまでドリルダウンできる必要があります。
QUADRAのメカトロニクス設計は、小型化されたAFM（MAFM）プローブに基づいています。各QUADRAシステムには4つのMAFMがあり、各MAFMにはウェーハの独立した位置に到達できるように、独自の位置決めユニット（PU）アームが備わっています。
AFMの精度を高めるには、機械的なノイズを低減することが非常に重要です。そのため、QUADRAは逆構造を採用しています。ウェハはチャックに真空クランプされ、探針は下から表面に接近します（下図参照）。これにより、励起点を排除することで機械的なループを短縮し、機械共振によるノイズを低減できます。
切り替え可能なキネマティック接続
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短縮化は、MFAMの運動学的接続をPUからグリッドプレートに切り替えることで実現されます。グリッドプレートは、AFMにとって非常に安定した近傍の基準面となります。AFM測定ヘッドがグリッドプレートにロックされると、カンチレバーの位置は、より大きな装置構造ではなく、その局所的な基準面を基準として定義されます。これにより、機械的な誤差が低減され、測定精度が向上します。
(画像出典: 2024 NFI brochure )
前述のとおり、一般的なAFM装置はタッピングモードを使用します。QUADRAには、最大1 MPix/s（メガピクセル/秒）の高速スキャンが可能な「ライトニングモード」と呼ばれる革新的な新モードがあります。このモードは、次の3つの柱に基づいています。地形追跡のためにZスキャナのメカトロニクス帯域幅を最大限に活用できる高度なZスキャナ制御アルゴリズム。センサとして機能するカンチレバーが地形の変化に迅速に反応できる（フィードバックループとも呼ばれる）高速応答カンチレバーのアクティブ制御。そして最後に、MAFMからの複数の信号を組み合わせて地形画像を再構築するスマートなデータ融合アルゴリズムです。
詳細については、NFI QUADRAの洞察に満ちた論文をご覧ください。
半導体検証：チップレットベースのSoC
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このような強力なQUADRAシステムにより、PositronのAsimovチップレットベースのSoCなどを検証することが可能になります。
確認すべき項目はいくつかあります。
- パッケージングボンディング: チップレットは超微細ピッチ（5～50 µm のマイクロバンプまたはサブミクロンの直接銅-誘電体接合）に依存しています。AFM を使用すると、表面のピコメートルスケールのトポグラフィー マップを測定できます。
電気ナノプロービング: チップレットは 2.5D または 3D アーキテクチャで密に詰め込まれているため、従来のテストプローブでは内部相互接続に物理的に到達できません。導電性 AFM (C-AFM): C-AFM は、超鋭利な導電性チップに電流を流して局所的な電気的変動をマッピングします (*NDLR: QUADRA が C-AFM をサポートしているかどうかはわかりません)。
ドーパントプロファイリング: チップレットSoCの主な利点は、異なるノード（例えば、3nmロジックチップレットと従来の14nm I/Oチップレットの組み合わせ）を混在させることができる点です。走査型容量顕微鏡（SCM）を備えたAFMシステムは、異なる半導体材料全体にわたる活性キャリア濃度とドーパントプロファイルをマッピングします。これにより、パッケージングによる熱サイクルを経た後でも、処理ノードが目標とする電気特性を満たしていることが検証されます。
界面応力: 熱膨張係数（CTE）の異なる材料を組み合わせると、反り、剥離、または熱機械的応力が発生する可能性があります。AFMは、チップレット、インターポーザー、およびシリコンブリッジの界面における弾性、硬度、および接着性を測定します。
熱特性評価: マイクロ熱電対を内蔵したAFMチップ（走査型熱顕微鏡、またはSThMとも呼ばれる）は、マイクロスケールの熱境界をマッピングし、ホットスポットの放熱経路を追跡することで、SoCの複雑なレイアウトが破壊的な局所的過熱につながらないことを保証します。
より興味深いのは、Quantware VIO-40Kの3Dアーキテクチャにおける高度なパッケージングとハイブリッドボンディングを実現するために、QUADRAをどのように活用できるかという点です。これについては後日改めてメモしておきます。
＃ 結論
というわけで、今回も非常に短いメモでしたが、読者の皆様がシリコンウェハ計測における課題と解決策をより深く理解する一助となれば幸いです。
興味深いのは、革新的なAI推論ASICの進歩と活動を考えると、シリコン計測を扱うスケールアップ企業には明るい未来が待っているということです。
(クリーンルーム - 出典: NFI)
References:
DrawIO diagrams used in this memo:
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.svgoptical microscopy reflected light differential inference contrast