高度な結晶方位測定システムで、SiC製造に革新をもたらす

はじめに

ウェーハ製造プロセスでは、精度が非常に重要です。結晶方位測定装置の最新の技術進歩により、ウェーハやインゴットにおける結晶公差は、大きな変革の時を迎えています。さらに、研削やスライス工程への正確な方向伝達を可能にすることで、これらの高度な技術は、最新の工程の品質を監視するだけでなく、その後の工程へ情報をフィードフォワードします。この品質上の利点に加え、多数のインゴットを1つのワイヤーソーフレーム上に整列させることができるため、加工ツールの使用効率が向上し、生産速度も向上します。

結晶方位ソリューションは、インゴット、ウェーハ、成形結晶といった用途を想定し、加工中のリアルタイム品質管理を実現する3つの機能を組み合わせています。これらのシステムは、主に3つのバリュードライバーを活用しています。

• ノッチ/フラット、ウェーハ/インゴットの寸法測定用光学計測。
• 結晶軸の傾き、大きさ、方向を正確に測定するための、X線回折（XRD）アルゴリズム。
• オペレータが測定情報を加工用ツールへ転送することを可能にする、ワークフローに適応したステージ。

Malvern Panalyticalは、学術、研究、産業といった幅広い分野のニーズに応えるXRDソリューションの提供において、最先端を走っています。バッチ処理の自動化機能、ワークフローに対応した試料転送、およびデータの制御と分析のための使いやすいソフトウェアインターフェースを提供しています。主な特長として、1つの装置で年間10万枚のウェーハを検査できることが挙げられ、結晶成長、研削、およびその後の工程の前に、正確な方位合わせを確実に行うことが可能になります。同社のシステムは、結晶品質のばらつきなどの課題に対処し、半導体製造施設向けに包括的なソリューションを提供します。

SiCウェーハとフロントエンド技術

SiCデバイスの製造において、結晶方位やウェーハ形状と加工ツールの基準システムとの間に位置ずれが生じると、プロセス性能が最適化されなかったり、フロントエンドでの不具合につながったりする可能性があります。例えば、リソグラフィや注入の工程で、結晶軸との位置合わせがずれると、デバイスの加工不良を招き、MOSFET製品の機能や歩留まりに影響を与える可能性があります。

MOSFETプロセスで、トレンチは、異なるドープ材を収容する上で極めて重要です。小杉らは、ウェーハの結晶軸に対して、これらのトレンチを意図的に回転させる研究を行いました。その後、金属有機化学気相成長法を用いてトレンチを埋めました。このように意図的に結晶方位を変化させる手法は、結晶方位がデバイスの性能に与える影響を調査するものであり、機能や効率の向上に向けたMOSFETの製造プロセスの最適化に有益な知見をもたらします。

結晶方位測定システムの近年の進歩は、MOSFETなどの高出力デバイス向けSiCウェーハの生産に革命をもたらしています。  主要なイノベーターが提示する最先端のX線技術などの最先端システムは、SiCウェーハやブールの製造プロセス（種結晶からブール、ウェーハへと至る、成長、研削、スライス、研磨の各段階）において、その方位や品質を測定する際、比類のない精度と速度を実現します。レーザー、X線源、高度な光学アルゴリズムを組み合わせることで、これらのシステムはSiCウェーハの結晶軸の向き、平坦度、エッジ形状を確実に特定します。基板の信頼性は、SiCの実装に向けた第一歩です。

X線回折

XRDとは その能力を活かして、材料の複雑な組成や構造を明らかにする、高く評価されている分析手法です。XRDは、相組成を含む幅広い試料の物理的特性を分析するために用いられる、新しい非破壊技術です。

ウェーハの特性評価において、XRDは、オフカットを含むウェーハ表面に対する結晶面の配向を特定するために利用できます。XRD装置は、X線源、試料ホルダー、検出器の3つの基本要素で構成されています。一連のプロセスは、X線源から放出されたX線が試料を照射し、その後、屈折して検出されることから始まります。装置を操作して回折角を変化させることで、その後の分析の基礎となる強度データが収集されます。

斜入射などの手法を採用することで、X線散乱の適用範囲はさらに拡大されます。SISSAXSとGISAXSは、どちらも小角X線散乱法です。これらの手法は、X線反射法と全散乱法と組み合わせることで、物質の非結晶性成分を調査し、分析の範囲を拡大します。

XRDは、その精度だけでなく、効率性の面でも優れているため、魅力的な技術です。XRDは、分析時間が通常20分以内と短いため、材料を特性評価する上で信頼性が高く、迅速な手法です。 

さらに、分析ソフトウェアの進歩により、データ分析のプロセスが最適化され、専門知識を持たない人でも分析が可能になりました。自動分析は、専門知識を必要とせずに品質管理を保証できるため、産業プロセスに大きなメリットをもたらします。

図1：測定ユニットの例—静的回折セットアップ 

結晶方位制御：方位角スキャン法 

XRD法を用いる従来の方法は、有効ではあるものの、限界があります。例えば、ロッキングカーブスキャンは精度が高いことで知られていますが、処理速度が遅く、多大な時間とリソースを要します。一方、方位角スキャン法は、速度と精度の双方において、画期的な進歩をもたらします。

方位角スキャンでは、試料を360度回転させながら強度のピークを記録します。これにより、傾斜の大きさや方向、さらには結晶内の面内方向に関する包括的なデータを、わずか10秒以内で取得することが可能です。この手法は、測定時間を大幅に短縮するだけでなく、0.01°という極めて高い精度を実現します。

方位角スキャン測定の主な利点の1つは、その汎用性と使いやすさです。可動部が少なく堅牢な計測機器であるため、ウェーハ製造プロセスの各工程にシームレスに組み込むことが可能です。結晶成長前の種結晶の品質確認から、研削・切断工程における方位の引き継ぎに至るまで、方位角スキャン測定は作業効率を高め、最高レベルの精度と品質管理を実現します。

方位角スキャン法は、半導体製造の様々な工程で活用されています。これにより、種結晶の正しい方位が確保され、インゴットからウェーハへの精密な研削・切断が可能になるとともに、半導体材料の徹底した品質検査が可能になります。Omega Theta回折計や高スループットウェーハ計測装置であるWafer XRD 200/300といった結晶方位測定装置は、半導体製造装置にシームレスに組み込まれています。これらの装置は自動化を促進し、全体的な生産効率を向上させます。

図2：方位角スキャンの原理 

Wafer XRD 200および300

XRDソリューションは、磁石と光学センサーを用いて結晶の向きを精密に測定します。これらのシステムは、平面と曲面上の結晶の方位を特定することができ、研削やスライス工程の最適化に有用なデータを提供します。この技術を切断機や研削盤に統合することで、メーカーは比類のない精度の作業を実現できます。

SiCのような小型の結晶に対しては、スライス工程を効率化するための革新的な積層技術が開発されています。複数の結晶をサインビーム上に所定の向きで配置することで、メーカーはスライス効率を大幅に向上させ、生産時間を数週間からわずか1日へと短縮することができます。

ウェーハの粗削り後、精密な検査や品質管理を行うために、高度な計測ソリューションが活用されます。レーザーによるアライメント機能を備えた光学測定システムは、ノッチやフラットの正確な位置合わせを可能にし、人為的ミスを排除して安定した結果を保証します。さらに、高解像度イメージング技術を搭載したマッピングステージにより、ウェーハ表面全体の結晶品質や方位の詳細な特性評価が可能になります。

高スループット生産環境において、Wafer XRD 200ソーティングシステムは、ウェーハの迅速かつ自動化された品質評価を実現します。Wafer XRD 200は、結晶方位や幾何学的パラメータに基づくウェーハの選別用に設計されており、効率と精度の面で新たな基準を打ち立てています。

X線による方位測定と光学センサーを組み合わせた本システムは、25枚のウェーハを収めた標準カセットをわずか10分で解析でき、効率的な選別や品質管理プロセスの実現を可能にします。

システムの完全自動化された処理および選別機能が生産性をさらに高め、品質管理プロセスを効率化します。詳細なデータ転送機能を備え、ワークフローにシームレスに統合されるため、MESやSECS/GEMインターフェースとの接続も容易に実現します。

Wafer XRD 200が提供する主な測定項目には、結晶方位、ノッチ位置と特性、直径、フラット位置と長さ、および抵抗率が含まれます。方位角スキャン（例：Si（100））において0.003°未満という傾き測定の標準偏差を実現しており、極めて重要な測定に対して比類のない精度を提供します。

これらの計測技術の進歩は半導体業界にとどまらず、航空宇宙や光学など、様々な分野でも応用されています。

Wafer XRD 200の最大の特徴は、その汎用性の高さにあります。本装置は、シリコン、SiC、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム（サファイア）、ヒ化ガリウム、石英、ニオブ酸リチウム、ホウ酸バリウムなど、幅広い種類の材料を分析することが可能です。研究環境であれ生産環境であれ、多数の試料の容易かつ迅速な分析を可能にすることで、具体的な価値を提供します。

Wafer XRD 300は、Malvern Panalyticalが300 mmウェーハの製造向けに最適化した最先端のXRDモジュールで、結晶方位や、ノッチ、フラットといった形状的特徴に関する精密な情報を提供します。独自のスキャン技術により、数秒以内で超高速かつ高精度な測定を実現し、スループットと生産性を最適化します。MESやSECS/GEMインターフェースとのシームレスな接続性を備えた本モジュールは、新規および既存のプロセスへスムーズに統合でき、計測ニーズに応える多用途かつ強力なソリューションとなります。Wafer XRD 300の高度な機能で、ウェーハ生産を次のレベルへ引き上げましょう。

SiCの先を見据えて

結晶方位測定技術は、シリコン系半導体に限らず、様々な単結晶材料に適用されます。この分野における進歩は、イノベーションを推進し、半導体製造プロセスを向上させます。リン化インジウムレーザーのような光電子エッジエミッタの用途において、結晶方位を精密に測定することは、リソグラフィ用マスクを劈開面と平行に配置する上で不可欠です。これは、レーザーバーを劈開する際に極めて重要となります。 

プロセスの終盤で発生する可能性のある不具合は、多大なコストを引き起こす可能性があります。XXLのシリコンインゴットの加工から、CaF2や石英などの光学結晶技術に至るまで、多岐にわたる用途は、材料やデバイスの特性を決定する結晶の異方性という要素によって結びついています。特性が安定した高品質な半導体材料を得るためには、結晶方位を正確に制御することが不可欠です。 

半導体製造において、高度な結晶方位測定技術を導入することは、効率性、精度、および製品の全体的な品質の面で利点をもたらします。