インラインメトロロジと欠陥検査（OCD・CD-SEM・E-beam）

なぜ「測りながら作る」のか

最先端の前工程（/semiconductor/wafer-fab-process-flow/）は数百〜千の工程を重ねます。露光・エッチング・成膜のどれか一つが規格を外れても、その上に積み上がる以降の工程はすべて無駄になり、ウェーハ1枚を捨てることになる。だから工程の合間にインライン計測を挟み、寸法・形状・欠陥がまだ許容範囲かを早期に確かめ、ずれていればその場でプロセスを補正する。これがインラインメトロロジ・検査の存在理由です。

ここで二つの言葉を厳密に分けます。**メトロロジ（metrology、計測）**は「どれだけの寸法・膜厚・形状か」を数値で測る。**インスペクション（inspection、検査）**は「設計にない欠陥がどこにあるか」を探す。前者は良品でも測り続けて分布を管理し、後者は異常点の座標を吐き出す。目的が違えば最適な装置も違います。

OCD（スキャタロメトリ）── 形状を逆問題で解く

最先端で寸法管理の主力になっているのがOCD（Optical Critical Dimension）、別名スキャタロメトリです。原理は「周期パターンに光を当て、反射スペクトルから形状を逆算する」こと。フィン（/semiconductor/finfet-gaa/）やラインのような繰り返し構造に、波長や入射角を振りながら偏光光を当て、反射率スペクトルを測ります。

OCD（スキャタロメトリ）の流れ

1. 専用テスト構造（周期グレーティング）に偏光光を照射
2. 波長・角度ごとの反射率スペクトル R(λ) を測定
3. 形状モデル（線幅 CD・高さ・側壁角 SWA・丸まり）を仮定
4. 電磁場解法(RCWA)で「その形状なら出るはずのスペクトル」を計算
5. 計算スペクトルと実測が一致するまで形状パラメータを最適化
   → 一致した形状パラメータが測定結果

ポイントは、OCDが寸法を直接見ていないことです。測っているのは光のスペクトルで、形状はそれを説明する**逆問題（inverse problem）**として解かれる。順方向計算には RCWA（Rigorous Coupled-Wave Analysis、厳密結合波解析）という電磁場解法を使い、これを多数回まわして実測に最も合う形状を探します。利点は決定的で、非破壊・高速・nm以下の再現性・3D形状（側壁角や丸まり）まで取れること。線幅だけでなく断面プロファイル全体を返せるのが、単純な像計測との違いです。

CD-SEM ── 局所を像で実測する

OCDが周期構造の平均を逆算するのに対し、CD-SEM（Critical Dimension SEM）は走査電子顕微鏡で特定の場所の寸法を像から直接測る装置です。電子線を試料に走査し、放出される二次電子の量から像を作る。パターンの端（エッジ）で二次電子の信号が立ち上がるので、信号波形からエッジ位置を決め、その間隔として線幅を出します。

CD-SEM のエッジ検出（断面イメージ）

  二次電子信号
   ┃        ╱╲            ╱╲
   ┃   ____╱  ╲__________╱  ╲____
   ┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━▶ 走査位置
            ↑              ↑
         左エッジ        右エッジ
         （信号ピークから閾値法でエッジ位置を決定）
         この2点間が線幅 CD

CD-SEMの強みは、OCDが苦手な孤立パターンや非周期構造、欠陥近傍の局所寸法を直接見られること。分解能はnm級で、ラインの粗さ（LER/LWR、線縁の揺らぎ）まで定量できます。一方で弱点も明確です。第一に、電子線の照射でレジストが収縮・帯電するダメージがあり、同じ場所を測りすぎると寸法が動く。第二に、像から1点ずつ測るためOCDより低速で、ウェーハ全面の統計を取る用途には向きません。OCDで広く速く管理し、CD-SEMで要所を実測・較正する、という役割分担になります。

欠陥検査 ── 明視野とE-beamの感度差

ここからはメトロロジではなくインスペクション、つまり「欠陥がどこにあるか」を探す側です。代表は二系統。光を使う明視野/暗視野（光学）検査と、電子線を使うE-beam検査です。

光学検査の基本はダイ間比較（die-to-die）。隣り合う同一設計のダイの像を引き算し、差分が残った点を欠陥候補とします。設計上は同一のはずだから、差が出れば異常という理屈です。**明視野（bright-field）**は照明の正反射光で像を作り、パターン欠けや残渣を捉えるのが得意。暗視野（dark-field）は散乱光だけを拾い、微小なパーティクルを高コントラストで光らせます。最大の長所は速度で、レーザー走査で全面を高速に舐めて欠陥座標マップを一気に作れる。だが波長の回折限界があり、波長より十分小さい欠陥や、表面に出ない埋もれ欠陥は原理的に見落とします。

ダイ間比較による欠陥検出

  ダイA像 ──┐
            ├─▶ 差分 = |A - B| ──▶ 閾値超え = 欠陥候補(x,y)
  ダイB像 ──┘
  （設計が同一なら差はゼロのはず。残った差が欠陥）

これを補うのがE-beam検査です。電子線は波長が桁違いに短く回折限界が小さいため、光学では見えない極微小欠陥や、コンタクト底の未開口・ボイドのような電気的欠陥まで捉えられます。さらに、導通の有無で二次電子の出方が変わる電圧コントラスト（voltage contrast）を使えば、断線・短絡といった「形は正常でも電気的に死んでいる」欠陥まで検出できる。代償は速度です。電子を1点ずつ走査するため光学検査より桁で遅く、全面ではなく抜き取り領域に絞って使うのが普通です。

歩留まり改善ループ ── ペアリングと分類

検査が座標を吐くだけでは歩留まりは上がりません。**「どの工程が、どんな種類の欠陥を、どれだけ出しているか」**まで絞り込んで初めて、プロセスを直せます。これを回すのが歩留まり改善ループです。

第一に欠陥分類。検査機が出した欠陥候補は、欠陥でない誤検出（ノイズ・プロセス起因の許容ばらつき）を多く含むため、まずレビューSEMで各座標を高分解能で撮り直し、欠陥か否か（DOI＝Defect of Interest か）を判定する。さらにパーティクル・スクラッチ・パターン欠け・残渣などに**自動分類（ADC、Automatic Defect Classification）**し、近年は学習モデルで欠陥種を仕分けます。種類が分かれば原因装置の見当が付く。

第二に欠陥ペアリング（defect source analysis）。同じウェーハを複数の工程の前後で検査し、座標を突き合わせます。工程Bの前には無く後に現れた欠陥は工程Bが発生源、というように、前後の検査結果を座標で対応付けて欠陥を工程に割り当てる。これにより「この欠陥はCMP（/semiconductor/cmp-planarization/）起因」「これはエッチング（/semiconductor/etching-deposition/）起因」と切り分けられます。

歩留まり改善ループ

  検査(座標マップ) → レビューSEMで撮像 → 分類(DOI判定/ADC)
        ↑                                      │
        │                                      ▼
  プロセス補正 ◀── 原因工程の特定 ◀── 欠陥ペアリング
                  (前後の検査を座標で突合し発生源を工程に割当)

第三に、これらをテスト結果と重ねる。最終的に電気テストで不良になったダイの座標と、インライン検査で見つけた欠陥座標を重ね合わせ、どの欠陥種が本当に致命的（killer）かを統計で確かめます。すべての欠陥が致命的なわけではなく、致命率の高い欠陥種を優先して潰すのが効率的だからです。この欠陥密度と歩留まりの関係そのものは /semiconductor/yield-defect-density/ で扱います。

まとめ

• メトロロジ（寸法・形状の計測）とインスペクション（欠陥座標の検出）は目的が異なり、装置も使い分ける。インラインゆえ非破壊が前提。
• OCDは周期構造に光を当て、RCWAの逆問題で3D形状を非破壊・高速に求める。較正済みモデルが前提で、パラメータ縮退に注意。
• CD-SEMは局所パターンを電子像のエッジ検出で実測し、非周期構造やLER/LWRに強い。OCDの較正基準にもなるが低速で電子線ダメージがある。
• 欠陥検査は**明視野（速いが回折限界）とE-beam（高感度・電圧コントラストで電気的欠陥まで見えるが遅い）**の階層構成。速度と感度はトレードオフ。
• 歩留まり改善は、レビューSEMでの分類（ADC）と、前後検査を座標で突き合わせる欠陥ペアリングで発生源工程を特定し、プロセス補正へ回すループで進む。欠陥と歩留まりの関係は /semiconductor/yield-defect-density/ を参照。