メーカー国籍別シェアランキングは米国、EU、日本の順で、米国が8割を占めているウェーハ表面検査装置。しかし、装置の中でもSEM式と呼ばれているものは、日本が寡占しています。
この話からも少しうかがえるように、ウェーハ表面検査装置は特徴の異なる製品がいくつかあります。そのため、目的や現場の状況に合わせた機械を選ぶことが重要です。
この記事では、一般的なウェーハ表面検査装置の特徴と価格帯、構造の解説から、種類別のメリット・デメリット、導入の選定基準、そして主要なメーカー一覧まで紹介しています。
カタログ請求前に製品全体の情報をおおまかに整理しておくことで、最適な機械選びが可能となります。ぜひ最後までご一読ください。
目次
ウェーハ表面検査装置とは？製品の特徴・原理と価格帯を紹介
まず最初に、ウェーハ表面検査装置の基本的な特徴・原理と価格帯について説明します。
半導体基板の欠陥を計測？ウェーハ表面検査装置の基本的な特徴・原理
ウェーハ表面検査装置は、半導体の基板であるシリコンウェーハの表面に発生する様々な欠陥（パターン欠陥、膜残り、ダスト、凹凸、キズ、アーキングなど）を検出することで、製造プロセス中に生じる問題を早期に発見し、迅速な対処を可能にする装置です。ウエハ検査装置やウェーハ検査装置と表記されることもあります。この装置が製造工程に導入されることで、半導体の不良率を大幅に減少させ、高品質を維持することが可能になります。 つまり、信頼性の高い半導体製品の生産に不可欠な装置だということです。
検査装置が欠陥を検出する、というのは、ウェーハ表面に欠陥座標（X、Y）を特定することを意味します。この特定に関わるウェーハ表面検査装置は、一般的に次のような一連の流れで動作します。
ウェーハ表面検査装置動作の流れ
- 光学系を通じて光源からの光がウェーハ表面に照射
- ウェーハ表面から反射または散乱された光が、レンズやミラーなどの光学素子を通じて検出器に送信
- 検出器がデータを画像処理装置へ送信
- パターン付きは隣のダイ（シリコンウェーハ上に形成される個々の半導体チップのこと）と比較、パターン無しはレーザー散乱で欠陥を特定
- 欠陥がある場合、画像処理装置は欠陥の画像と位置座標（X、Y）を特定し、これらの情報を登録
- レビュー装置（検査装置とは異なる画像取得装置）が具体的な欠陥画像を取得
- 取得された欠陥画像は分類され、品質管理のために管理
ウェーハ表面検査装置の価格帯
ウェーハ表面検査装置の値段は、メーカーや種類、そして性能によって大きく異なりますが、一般的には数百万から数億円の範囲で購入が可能です。例えば、価格帯を次の三区分に分けることが可能です。
ウェーハ表面検査装置の価格帯
低価格帯：数百万円から数千万円程度タイプ：基本的な光学式検査装置、手動または半自動の装置、解像度や検査速度が限られたモデル。小規模な製造ラインや研究開発用途に適しています。比較的簡単な表面の欠陥を検出するのに使用されます。
中価格帯：数千万円から1億円未満程度
タイプ：進化した光学式検査装置や基本的な電子ビーム式（eビーム式）検査装置。自動化機能を備え、より高速かつ詳細な検査が可能です。中規模の製造ラインや、より高度な研究開発に適しています。微細な欠陥の検出能力が向上しています。
高価格帯：おおよそ1億円以上
タイプ：非常に高い解像度と検査速度を提供し、最先端の半導体製造プロセスに必要な微細な欠陥を検出する能力を持っている検査装置が多いです。大規模な製造ラインや、高度な品質管理が求められる環境で使用されます。
ここまで、ウェーハ表面検査装置の基本的な特徴・仕組みと価格帯について説明しました。次の章では、ウェーハ表面検査装置の基本構造を解説します。
基本的な特徴と仕組みを押さえた上で構造を理解することで、種類別の特徴が理解しやすくなります。ぜひ続けてお読みください。
ウェーハ表面検査装置の基本構造を解説
ここからは、ウェーハ表面検査装置の基本構造を解説します。以下が各項目です。
- 光学系
- 検出器
- 画像処理装置
- 制御装置
光学系
光源が発する光は、特殊なレンズとミラーを介してシリコンウェーハに向けられます。この照射光はウェーハ表面の微細な構造に当たり、特定のパターンで反射または散乱します。光学素子は、これらの反射光や散乱光を精密に捉え、欠陥を捉えたら、その存在を示す信号を検出器へ送ります。検出器
ウェーハ表面から反射または散乱された光は、高度に感度の高い検出器によって検出されます。検出器は、微細な光の変化を捉え、それを電気信号に変換することで、ウェーハ上の極小の欠陥や異物の存在を特定します。画像処理装置
検出器によって収集されたデータは、専用の画像処理装置に送られます。装置では、先進のアルゴリズムを使用してデータを分析し、ウェーハ表面の欠陥を精密に画像化します。このプロセスにより、微細な異物や構造上の不備が可視化され、技術者が欠陥の性質を正確に理解し、適切な対処を行うことが可能になります。制御装置
光学系、検出器などの精密な動作を一元的に制御するための装置は、高度なプログラミングと制御技術を駆使しています。この装置は、検査プロセス全体の調整を担い、各部品が同期して動作するように管理します。具体的には、ウェーハの位置調整、光の照射角度、センサーの感度設定など、細かいパラメーターの調整を行います。ここまで、ウェーハ表面検査装置の基本構造について説明しました。
ウェーハ表面検査装置の基本構造はこれで押さえられましたが、この構造部分の変動によって、検査装置の種類が異なってきます。次の章では、3種類のウェーハ表面検査装置を確認し、各メリットとデメリットを説明します。
3種類のウェーハ表面検査装置と用途・メリット・デメリット
ここからは、ウェーハ表面検査装置の種類とそれぞれのメリット、デメリットについて解説します。ウェーハ表面検査装置は、次の3種類に分けることができます。
光学式検査装置
可視光線、紫外線、I線、G線などの光源を使用してウェーハ表面を照らし、反射光をカメラで捉えてウェーハ上の欠陥を検出します。特に、大量生産されるウェーハの迅速な品質管理に最適です。メリット
SEM式検査装置に比べ処理速度が速いため、大量のウェーハ検査に対応可能であり、生産ラインの流れを滞らせることなく効率的に検査を実施できます。さらに、運用コストの削減にも寄与するため、連続運転による生産性の向上が期待できます。デメリット
解像度の面ではSEM式検査装置に劣り、非常に微細な欠陥を見逃す可能性があるため、検査の精度には限界があります。極めて高い精度を要求される検査には向かず、もし使うのだとしても補助的な検査手段としての利用が推奨されます。レーザー式検査装置
高精度のレーザー光線をウェーハ表面に照射し、その反射光を分析することで表面の欠陥を検出します。この方式は、特に表面全体の検査や異物検出に適しています。メリット
SEM式検査と比較して、レーザー式検査の最大の利点は、高いスループットです。これにより、大量生産ラインでの迅速な検査が可能となり、生産効率の向上に貢献します。また、連続稼働が可能であり、生産過程の遅延を最小限に抑えることができます。デメリット
レーザー式検査の解像度はSEM式に比べて劣るため、非常に微細な欠陥を検出する能力に限界があります。さらに、光学式検査装置に比べて、精密な処理能力ではやや劣ることがあり、詳細な分析が必要な場合には他の検査方法を併用する必要があります。SEM式検査装置
高解像度を誇る走査電子顕微鏡（SEM）を使用してウェーハ表面の微細な欠陥を検出します。ウェーハに電子ビームを照射し、反射または二次電子のパターンを解析して高解像度の画像を生成します。試作品、評価品、異常品の検査や、電位コントラスト検査など、微細な構造の詳細な検査に向いています。メリット
高い解像度により、非常に小さな欠陥も検出できるのがメリットです。また、電位コントラスト検査を利用することで、デバイス内部の導通状態も検出可能です。微細な製造不良も見逃さないので、製品の品質を大幅に向上させることができます。デメリット
高解像度検査は、スループットの低下という代償が伴います。大量生産ラインでは使用が限定されるので、時間とコストのバランスを考慮する必要があります。また、装置が高価格、運用コストも考慮する必要があり、総合的なコストパフォーマンスを慎重に検討する必要があります。ここまで、各ウェーハ表面検査装置の特徴とメリット・デメリットについて説明しました。
次の章では、実際に数多くあるウェーハ表面検査装置の中から、貴社に最適な機械を選ぶ際の基準を3つ解説します。選定基準を把握することが一番大切ですので、ぜひ続けてお読みください。
製品の選定方法は？ウェーハ表面検査装置の比較基準3点
ここからは、ウェーハ表面検査装置を選ぶ際の選定基準を解説します。機械の導入に際して、検討すべき事項は以下の3点です。
スループット（単位時間あたりの処理能力）
スループット、すなわち単位時間あたりの処理能力は、半導体製造における検査装置の重要な指標です。高い画像処理能力を持つ検査装置は、高解像度の画像を高速に処理し、短時間で大量のウェーハを検査する能力を持っています。これにより、検査時間が短縮され、生産効率が大幅に向上します。高速スループットによる検査は、特に大量生産環境において、時間とコストの節約に直結します。画像処理能力が高い検査装置は、微細な欠陥も見逃さずに検出できるため、製品品質の向上にも寄与します。
しかし、これらの高性能装置は、先進技術を駆使しているため、コストが高い傾向にあります。また、スループットが速い検査装置は、必ずしも微細な欠陥を検出できるわけではなく、詳細な検査が必要な場合は時間を要する可能性があります。この点が、大量生産ラインと高精度検査のバランスを考える際の課題となります。
解像度
照明モードの選択（光学式検査装置の場合、紫外線、可視光線、I線、G線など）とカメラのズームレンズ性能が、解像度の向上に大きく寄与します。解像度が高くなれば、より微細な欠陥を検出することが可能になります。例えば、G線を使用した検査では、可視光線を使用した場合に比べて検査時間が長くなりますが、さらに小さな欠陥も見つけ出すことができます。G線のように、高い解像度によって微細な欠陥の検出が可能になる一方で、検査時間の長さは生産効率に影響を与える可能性があります。高解像度の検査は、詳細な画像分析により時間を要するため、大量生産環境においては検査スループットのバランスを考慮する必要があります。
一方、解像度が低い場合、検査時間は短縮され生産効率が向上しますが、微細な欠陥の検出能力は低下します。例えば、可視光線を使用した検査では、G線に比べて迅速に検査を完了できますが、同じ精度での欠陥検出は期待できない場合があります。
閾値（いきち）
閾値設定は、欠陥検出の精度とプロセスノイズ（疑似欠陥）の低減という二つの重要な側面に影響するため、検査プロセスにおいては、閾値の最適化が非常に重要となります。閾値を適切に調整することにより、実際の欠陥を正確に検出しつつ、無関係な信号による誤検出を最小限に抑えることが可能です。閾値を高く設定することは、より微細な欠陥を検出する能力を意味しますが、同時にプロセスノイズによる疑似欠陥の誤検出も増加するリスクが伴います。このため、実際に重要な欠陥の識別が困難になる可能性があります。
一方で、閾値を低く設定した場合、プロセスノイズによる誤検出は低減しますが、それによって本来検出すべき微細な欠陥を見逃すことになりかねません。この場合、検査の過程で重要な欠陥が見過ごされる結果を招く可能性があります。
以上、ウェーハ表面検査装置を選定する際の基準3点を紹介しました。次の章では、ウェーハ表面検査装置を製造するメーカーを一覧で紹介します。続けて読むと、貴社にとって適切なメーカーがわかりますので、是非ご一読ください。
ウェーハ表面検査装置を製造する主要メーカー4社の一覧
ここからは、ウェーハ表面検査装置を製造している主要企業を紹介します。貴社の導入条件を整理し、比較基準の3点を確認した後は、実際にウェーハ表面検査装置を製造している企業を探し、問い合わせてみてください。
主要なウェーハ表面検査装置のメーカー4選
- KLA Corporation（Surfscanシリーズ、2835、2367など）
- ASML International N.V.（eScanシリーズなど）
- 日立ハイテク（LSシリーズ、GS1000など）
- Applied Materials, Inc.（Enlight光学ウェーハ検査装置など）
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KLA Corporation（KLAコーポレーション）
KLAコーポレーションは、カリフォルニア州ミルピタスに拠点を置く、半導体および関連のエレクトロニクス業界向けのプロセス制御およびイールドマネジメントソリューション・サービスを提供するサプライヤーです。 検査および計測製品のポートフォリオ、関連サービスやソフトウェアならびにその他の製品を提供し、集積回路（IC）、ウェーハ、レチクルの研究開発および製造をサポートしています。KLAはレーザー式のSurfscanシリーズや、2835、2367といったウェーハ表面検査装置を扱っています。
KLAの強みは、例えば、電子工学設計があり、高いビーム電流密度を細かなスポットサイズで実現します。業界で最も広範な動作条件を提供し、複雑なプロセス層やデバイス構造を通じて欠陥を効率的に捕捉する能力を高めます。
他にも、機械学習アルゴリズムによる画像ベースの欠陥分類は、原因追究までの時間を短縮し、効率的な問題解決を実現します。
ASML International N.V.（ASMLインターナショナル）
ASMLは、オランダの北ブラバント州フェルトホーフェンに本部を置く半導体製造装置メーカーです。半導体露光装置（ステッパー、フォトリソグラフィ装置）を販売する世界最大の会社で、16カ国に60以上の拠点を有しています。ASMLは、電子ビーム式のウェーハ表面検査装置であるeScanシリーズ などを取り扱っています。例えば、マルチビーム・ウェーハ欠陥検査装置であるHMI-eScan1000は、5nm以降の最先端プロセスノードに対応しています。9つのEBを同時にスキャンする検査方法と高速移動ステージにより、スループットを従来のシングルビーム装置比600％にまで高めています。
ASMLの強みとなる技術は、例えば、e-beam検査システムの高解像度、高精度な検査にあります。この技術によって、何百万もの印刷パターンの中から個々のチップの欠陥を特定して分析することができます。
日立ハイテク
日立ハイテクは、東京都港区に本社を置く日立グループの企業です。「電子線技術」を集約・強化して、半導体統合ソリューションの提供、新材料・バイオ等の新アプリケーションを創出しています。日立ハイテクは、光学式とSEM式を扱っています。例えば、電子線高速広領域検査システム GS1000は、高速広域スキャンと大電流技術及び高性能処理サーバを組合せた、新コンセプトの検査計測システムです。
収差補正とScan歪み補正技術で、高分解能な広範囲一括画像取得(80um x 80um)と画像内均一性精度を両立しつつ、SEM画像と設計データの比較手法を用いた高速多点検査計測で、多様なプロセス・イールド相関解析を実現します。
日立ハイテクの強みは、例えば、高速広域スキャン技術にあります。 広い範囲を高速でスキャンすることが可能になり、効率的な検査が実現されます。 また、大電流技術も強みです。大電流を用いることで、より詳細な検査が可能になり、微細な欠陥も検出できます。
Applied Materials, Inc.（アプライドマテリアルズ）
アプライドマテリアルズは、アメリカ合衆国のカリフォルニア州シリコンバレーに本社を置く、世界最大の半導体製造装置メーカーです。 世界24ヵ国、120ヵ所以上に拠点を持つ多国籍企業で、半導体やディスプレイ業界に向けた製造装置、サービス、ソフトウェアを提供しています。アプライド・マテリアルズでは、光学式やSEM式を扱っています。例えば、Enlight® 光学ウェーハ検査装置は、半導体メーカーが要求される最高の検査感度、検査頻度、データ収集量を達成し、歩留まりを向上させることを可能にします。
また、独自のアーキテクチャを持っています。市場最高水準の高NA（numerical aperture：開口数）と、ウェーハノイズを抑制する独自の3次元偏光制御を備えています。
アプライドマテリアルズの強みとなる技術は、例えば、高NAとEnlightシステムにあります。高NAについては、市場最高水準の高NAを実現し、高解像度のスキャンを可能にしています。 また、Enlightシステムは、ビッグデータの生成により致命的欠陥の検出コストを大幅に削減し、CoO（Cost of Ownership）を低減しています。
半導体基板の欠陥検出に欠かせない「ウェーハ表面検査装置」ぜひ導入の検討を
ウェーハ表面検査装置は、半導体基板製造の仕上げ部分に当たる欠かせない機械です。ウェーハ表面検査装置によって半導体基板が精密に検査されるからこそ、スマートフォンから宇宙船に至るまで、現代のあらゆる電子デバイスが問題なく動作します。ウェーハ表面検査装置にはいくつか種類があります。貴社の目的に合った機械の工場への導入をご検討いただき、半導体基板製造にぜひお役立てください。
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