Ron Chiarello
米Jetalon Solutions社
www.jetalon.com

石田哲嗣
日本スウェージロック
www.swagelok.co.jp

　半導体製造技術の発展により、in-Situ濃度測定に対する要求が高まっている。薬液を使うことで、CMP、リソグラフィ、ECD、および表面処理が可能になるので、その消費量が大幅に増大している。こうしたプロセスは、プロセスウィンドウが狭く、より小さな薬液の濃度変化が、ウェーハ欠陥レベルと、最も重要な歩留りに悪影響を及ぼしかねない。また、薬液の廃液を減らすことで、環境への影響を小さくしようとするプレッシャーも高まっている。^{1 ）}

　こうした発展の中で、製造施設の総CoO（Cost of Ownership）が上昇している。これに伴って、ユース・ポイント（薬液が混合または供給されるところ）において濃度を連続してリアルタイムで計測する高精度な濃度測定および解析システムに対する要求が高まっている。リアルタイム・センサーは、業界がその中心的技術としてサブ65 nmプロセスに移行するうえで極めて重要なものになる。リアルタイム・センサーは歩留りを向上させ、薬液消費量、廃液、およびウェーハのスクラップを減らしてコストを抑え、効率と生産性を高める。^{1 ）}

　導電率、近赤外線吸光分光法、超音波、滴定、および屈折率を含む既存の濃度測定技術は、他の業界では効率的であることが実証されている。しかし、半導体業界には液体濃度センサーに対して以下のような独自の要求が存在する。

・実際に薬液が使用される現場での使用
・リアルタイムなレスポンス（応答）
・小さなフットプリント
・相応の広いダイナミック・レンジでの高い分解能
・酸、塩基、溶剤、酸化剤、およびスラリーに対応
・システムに対する最小限の影響度
・ソフトウェア・インターフェースおよびデータ・ロギング
・現場での迅速な再校正

　本稿では、半導体用途における上記目的に対応する既存技術を考察し、半導体市場向けとして効果的に小型化されている屈折率技術に重点を置きながら、各種技術を比較するケース・スタディを紹介する。

　基本的な実験室検査技術をベースとする滴定が、センサーの精度と分解能の最も基準となる技術として引き続き適用されている。この方法はプロセスラインからサンプルを収集し、そのサンプルを試薬と混合したうえで、濃度を解析する。滴定ユニットはプロセスラインにリンクするか（自動滴定）、非接続ユニットとして動作させる（グラブ・バッチ、つまり手動滴定）。プロセスラインに接続した場合は「インライン」と呼ばれるが、流体はユニットに向かう一方向のみに移動し、そこで処理、解析、廃棄が行われ、廃液が生じる。これは、プロセス流体がリアルタイムでその目的地点まで移動する途中で滴定ユニットを通過するという意味の「インライン」ではない。

　滴定は、サイズが大きく低速（1回の読み取りに45分かかる場合がある）であるにもかかわらず、現在の半導体製造に幅広く採用されている。読み取り値が断続的であるにせよ、滴定はやはり評価基準なのである。CMPやウェーハ洗浄などのプロセスでは、従来の滴定測定技術を熟知した技術スタッフの経験に基づいて、大量の薬液の循環、スパイク、および廃棄が行われる。

　滴定は、同時に複数の薬液の濃度を測定する用途において実用的ではない。化学試薬とOリングやプローブなどの交換部品の費用が継続的に発生するため、CoOが上昇するからである。

　導電率測定法では、薬液の中に入れた円筒形プローブ間に印加される電圧を測定する。この測定法は、狭いダイナミック・レンジの測定（すなわち、狭い濃度範囲の測定）を高い信頼性と低コストで行う方法である。レンジが狭いうえに、分解能も低い。通常、一つのユニットは、ある特定のダイナミック・レンジに合わせて校正する。より広い範囲を測定する必要がある場合は、第2のセンサーを校正する。実際、半導体製造での一般的用途では、一つのユニットのダイナミック・レンジを越えることが多い。

　2つ目の制限は、測定対象がイオンを含む薬液のみに限られることである。導電率測定法の場合、こうした薬液の測定はコスト効率良く行えるが、ベンゼン、メタノール、アセトン、および過酸化水素などの溶剤は測定できない。

　最後に、プローブを流体に接触させる必要があるため、薬液のフローに影響することや、汚染の可能性が増すことがある。