半導体製造における分光器の活用｜プラズマモニタ・終点検知への応用

半導体製造工程と分光器の役割

半導体デバイスの製造は、ウェーハ上に微細な回路パターンを形成する複雑なプロセスの連続です。主要な工程として、成膜、リソグラフィ、エッチング、洗浄、検査などがあり、各工程では高い精度と再現性が求められます。

これらの工程において、分光器はプロセスの状態をリアルタイムで監視する役割を担います。特にプラズマを用いるエッチング工程や成膜工程では、プラズマが発する光のスペクトルを分析することで、プロセスの進行状況や異常を検知できます。この手法は発光分光分析（OES：Optical Emission Spectroscopy）と呼ばれ、半導体製造において広く採用されています。

分光器を用いたプロセス監視には、非接触でリアルタイムに測定できるという利点があります。ウェーハやプロセスに影響を与えることなく、プラズマ中の化学種の変化を追跡できるため、製造ラインへの導入が容易です。

エッチング工程での活用（終点検知）

エッチング工程は、マスクで保護されていない部分の材料を除去し、パターンを形成する工程です。プラズマエッチングでは、反応性ガスをプラズマ化し、化学反応と物理的なスパッタリングによって材料を除去します。

終点検知の仕組み

エッチングが進行すると、除去される材料が変化するタイミングがあります。たとえば、酸化シリコン膜をエッチングしてシリコン基板に到達すると、プラズマ中の化学反応が変化します。この変化は、プラズマの発光スペクトルに反映されます。

分光器でプラズマの発光を監視し、特定の波長の発光強度変化を検出することで、エッチングの終点を判定できます。エッチング対象の材料に関連する波長の発光強度が減少し、下地材料に関連する波長の発光強度が増加するパターンを捉えることが一般的です。

終点検知の重要性

終点検知が適切に行われないと、オーバーエッチング（削りすぎ）やアンダーエッチング（削り不足）が発生します。オーバーエッチングは下地へのダメージや寸法精度の低下を招き、アンダーエッチングは残渣による不良の原因となります。分光器による終点検知は、これらの問題を防ぎ、歩留まりの向上に貢献します。

また、ウェーハごとの微妙なばらつきにも対応できる点が重要です。時間管理だけでエッチングを制御する場合、膜厚のばらつきに対応できませんが、終点検知を用いることで各ウェーハの状態に応じた適切なタイミングでエッチングを終了できます。

成膜工程での活用（膜厚モニタ）

成膜工程は、ウェーハ上に薄膜を堆積させる工程です。CVD（化学気相成長）やPVD（物理気相成長）などの方法があり、いずれもプラズマを利用するプロセスがあります。

プラズマCVDでの活用

プラズマCVDでは、原料ガスをプラズマで分解し、基板上に薄膜を形成します。分光器を用いてプラズマの発光を監視することで、原料ガスの分解状態や反応の進行状況を把握できます。

プラズマ中の化学種の濃度変化は発光強度に反映されるため、成膜条件の安定性を評価したり、異常を早期に検知したりすることが可能です。ガス流量や圧力、RF電力などのプロセスパラメータと発光スペクトルの関係を把握しておくことで、プロセスの最適化にも役立ちます。

膜厚のインライン監視

成膜工程では、形成される膜の厚さを正確に制御することが重要です。分光器を用いた干渉法により、成膜中の膜厚をリアルタイムで監視する手法も活用されています。この手法では、膜からの反射光の干渉パターンを分光器で測定し、膜厚を算出します。

インラインでの膜厚監視により、成膜レートの変動を検知し、プロセス条件を調整することが可能です。これにより、膜厚の均一性と再現性が向上します。

半導体製造向け分光器に求められる仕様

半導体製造工程で使用される分光器には、製造現場特有の要件があります。以下に主な仕様要件を解説します。

波長範囲

監視対象となる化学種の発光波長をカバーする必要があります。一般的なプラズマプロセスでは、紫外から可視光領域の波長範囲が求められることが多いですが、プロセスによっては近赤外領域まで必要な場合もあります。対象となるプロセスで検出すべき化学種を特定し、その発光波長に適した波長範囲を選定することが重要です。

波長分解能

近接した波長のスペクトル線を分離して検出するために、適切な波長分解能が必要です。プラズマ中には多くの化学種が存在し、それぞれが複数の発光線を持つため、目的の波長を他の発光線と区別できる分解能が求められます。

測定速度

プロセスの変化をリアルタイムで捉えるために、高速な測定が必要です。特に終点検知では、エッチングの終了タイミングを正確に捉える必要があるため、十分な時間分解能が求められます。ポリクロメータ方式の分光器は、複数波長を同時に測定できるため、高速測定に適しています。

耐環境性と長期安定性

半導体製造ラインでは、分光器は長期間にわたって安定した測定を継続する必要があります。温度変化や振動などの環境要因に対する耐性、長期使用における波長精度の安定性が重要です。また、装置のメンテナンス性や、製造装置への組み込みやすさも考慮すべき点です。

インターフェースと制御

製造装置やプロセス制御システムとの連携が必要なため、適切な通信インターフェースを備えていることが重要です。測定データをリアルタイムで制御システムに送信し、プロセス制御にフィードバックできる構成が求められます。