電子顕微鏡でウェハーを観察するとき、通常は真上から電子ビームを当てます。

ところがこの向きには、決定的な弱点があります。高さの情報が失われるのです。

そこで登場するのが、傾けて見るという発想です。ただし「斜めから見れば立体が分かる」という単純な話では終わりません。穴が深いほど、傾けられなくなります。

この記事では、なぜ傾ける必要があるのか、どこまで傾けられるのかを幾何学から解説します。寸法を測る装置はCD-SEM(測長SEM)とは?で扱っています。

真上から見ると失われるもの

SEMの像は、上から見た平面の情報です。ここに根本的な限界があります。

たとえば、断面が次のように違う2つの穴を考えてみます。

穴の形 上から見た姿
まっすぐな円柱 円
下へ細くなるテーパー 円
途中がふくらんだ形 円

いずれも上から見れば同じ円に見えます。入口の直径が同じなら、区別がつきません。

しかし加工の良し悪しを判断するには、この違いこそが重要です。エッチングで狙いどおりに垂直な穴が開いているのか、途中で細くなっているのか——上からの像では答えられません。

影の付き方や信号の強さから、ある程度は推測できます。しかし推測は推測です。形そのものを見たいなら、視点を変えるしかありません。

傾けて見る|2つの方式

視点を変える方法は2つあります。

方式 やり方 特徴
試料傾斜 ウェハーを載せた台を傾ける 大きく傾けられる。時間がかかる
ビーム傾斜 電子ビームの軌道を曲げる 速い。傾けられる角度は小さい

なぜウェハーを傾けないのか

量産ラインでは、試料を傾ける方式はあまり使われません。理由は現実的なものです。

  • 重くて大きい:直径300mmのウェハーとステージを傾け、正確に止めるには時間がかかる
  • 焦点が変わる:傾ければ観察面の高さが変わり、ピントを合わせ直す必要がある
  • 位置がずれる:傾斜によって視野が移動し、狙った場所を見失う
  • 時間がかかる:1日に何百点も測る装置で、1点ごとに機械を動かしていられない

そこでウェハーは水平のまま、電子ビームのほうを曲げる方式が使われます。電子は電荷を持つので、電場や磁場で軌道を曲げられます。機械を動かさないため、切り替えが速いのが利点です。

ただし大きく曲げると像がゆがみます。実用的に使える傾斜角は、せいぜい数度から十数度にとどまります。この制約が、後で効いてきます。

ステレオ視|視差から高さを求める

傾けた像が撮れると、高さを計算できるようになります。人が両目で立体を把握するのと同じ原理です。

同じ場所を+θ と −θ の2方向から撮ると、高さのある部分は像の中で位置がずれます。このずれ(視差)を d、傾斜角を θ とすると、高さ h は次の関係になります。

d = 2h sin θ

これを高さについて解きます。

h = d ÷ (2 sin θ)

実際に計算してみる

傾斜角を5度、観測された視差を100ナノメートルとします。

  • sin 5° = 約0.0872
  • 2 × 0.0872 = 0.1744
  • h = 100 ÷ 0.1744 = 約574 ナノメートル

100ナノメートルのずれから、574ナノメートルの高さが求まりました。わずかな傾きでも、高さは像のずれとして現れます。

ここで重要なのは、θ が小さいほど視差も小さくなるという関係です。同じ高さでも、傾斜角が小さければ、ずれはわずかにしかなりません。

傾斜角のジレンマ|深い穴ほど傾けられない

ここがこの技術の核心です。

深い穴を斜めから覗くことを想像してください。少し傾けただけで、手前の壁が邪魔をして底が見えなくなります。

底が見える限界の角度

穴の直径を D、深さを H とします。斜めから見て底の縁まで視線が通るのは、次の条件を満たすときです。

tan θ = D ÷ H

ここで アスペクト比 A = H ÷ D(深さが直径の何倍か)を使うと、こう書けます。

θ最大 = arctan(1 ÷ A)

計算した結果が次の表です。

アスペクト比 形のイメージ 底が見える最大の傾斜角
1 浅い凹み 45°
5 やや深い穴 約11.3°
10 深い穴 約5.7°
20 かなり深い穴 約2.9°
50 TSVや3D NANDの深穴 約1.1°

アスペクト比50の穴では、1.1度しか傾けられません。それ以上傾ければ、底は手前の壁の陰に隠れます。

二重の壁になる

ここで先ほどの式を思い出してください。視差は d = 2h sin θ でした。傾斜角が小さければ、視差も小さくなります。

アスペクト比50の穴で、高さ100ナノメートルの段差を測る場合を計算します。

  • θ = 1.1° のとき sin θ = 約0.0200
  • d = 2 × 100 × 0.0200 = 約4 ナノメートル

100ナノメートルの高さが、わずか4ナノメートルのずれとしてしか現れません。これはSEMの分解能に迫る値で、ノイズと区別するのが難しくなります。

つまり深い構造では、次の2つが同時に襲ってきます。

  1. 傾けられない(底が見えなくなる)
  2. 傾けても分からない(視差が小さすぎる)

深くなるほど、傾斜観察は効かなくなる。これは装置の性能ではなく、幾何学が決めている限界です。

それでも傾ける価値がある場面

では傾斜観察は無力かというと、そうではありません。アスペクト比が高すぎない構造では、大きな威力を発揮します。

見たいもの 傾斜で分かること
側壁の角度 垂直に加工できているか、テーパーが付いていないか
段差の高さ 膜の厚みや彫り込みの深さ
裾の広がり 根元に残った材料(フッティング)
えぐれ 横方向に削れた部分(アンダーカット)
パターンの倒れ 細い柱が傾いていないか

とくにレジストパターンの倒れは、上から見ても分かりにくい典型です。倒れかけたパターンは、真上からでは正常に見えることがあります。

またアンダーカット——入口より内側が広がった形——は、上からの像では原理的に見えません。入口の縁に隠れるためです。

3D構造が傾斜観察を必要にした

この技術の重要性が増した背景には、デバイスの立体化があります。

かつての半導体は、平面に回路を描くものでした。測るべきは線幅、つまり長さです。

ところが構造が立体になると、事情が変わります。

  • 立体的なトランジスタでは、高さと側壁の垂直性が特性を決める
  • 積層メモリでは、深い穴が上から下まで同じ太さかが問われる
  • 先端パッケージでは、貫通電極の側壁品質が接続の信頼性を左右する

「線幅を測る」から「形を測る」へ——測定の対象そのものが変わりました。傾斜観察は、その要求に応える手段のひとつです。

傾けても届かないとき

幾何学の壁にぶつかったら、別の手を使うしかありません。

手法 やること 代償
傾斜観察 斜めから見る 深い構造に弱い
断面観察 切って断面を直接見る 試料が壊れる
光学的な測定 反射光の特性から形を推定する モデルに依存する
X線を使う手法 透過や散乱から内部を推定する 時間がかかる

断面観察は最も確実です。集束イオンビームで削って断面を出し、そこをSEMで見れば形が直接分かります。

ただしそのウェハーは製品にできません。1枚を犠牲にして情報を得る手法であり、量産ラインで全数に適用することはできません。

だから現場では使い分けます。壊さずに測れる範囲は傾斜観察などで日常的に監視し、どうしても分からないときだけ断面を見る。工程内で測る考え方はインライン検査とは?で解説しています。

断面を作って直接見る手法については断面SEMとは?で、試料作製の方法から詳しく解説しています。

SEM系装置のなかでの位置づけ

傾斜観察は独立した装置ではなく、SEMに搭載される機能として実装されるのが一般的です。

装置 主な目的 傾斜の使われ方
CD-SEM 寸法を測る 側壁角度や高さの計測に使う
レビューSEM 欠陥の正体を見る 立体的な欠陥の把握に使う

SEM系の装置を手がける企業には、日立ハイテクやアプライドマテリアルズがあります。アドバンテストも測長SEMと欠陥レビューSEMを持ち、同社の場合はフォトマスク上のパターンや欠陥を対象とすると説明しています。

同じSEM技術でも、ウェハーを見るのかマスクを見るのかで製品が分かれます。工程別の企業配置は工程別・世界シェアまとめをご覧ください。

✍️ ひとこと

計算していて印象的だったのは、アスペクト比50の穴では1.1度しか傾けられないという結果でした。装置を良くしても、この壁は動きません。

そして傾けられないほど、高さの手がかりも小さくなる。見たいものほど見えにくくなるという構造が、幾何学から素直に出てくる。厳しいけれど、筋の通った話だと感じました。

— semisouchi.com 編集室

よくある質問

なぜ真上からの観察では足りないのですか?

上からの像は平面の情報であり、高さが分からないためです。まっすぐな穴もテーパーの付いた穴も、入口の直径が同じなら同じ円に見えてしまいます。

ウェハーを傾けずにビームを傾けるのはなぜですか?

300mmウェハーとステージを傾けて正確に止めるには時間がかかり、焦点や視野もずれるためです。電子ビームは電場や磁場で軌道を曲げられるため、機械を動かさずに素早く切り替えられます。

どのくらい傾けられるのですか?

ビーム傾斜では像のゆがみが増えるため、実用的には数度から十数度程度です。さらに深い穴では、底が手前の壁に隠れるため、それより小さい角度に制限されます。

アスペクト比が高いと何が問題ですか?

底が見える最大の傾斜角が arctan(1÷アスペクト比) に制限されます。アスペクト比50なら約1.1度です。しかも傾斜角が小さいと視差も小さくなり、高さの検出そのものが難しくなります。

断面観察との使い分けは?

断面観察は確実ですが試料を壊すため、量産ラインで全数に適用できません。壊さずに測れる範囲を傾斜観察などで日常的に監視し、必要なときだけ断面を確認する運用が一般的です。

まとめ

  • 真上からのSEM像は平面情報であり、高さや側壁の形が分からない。円柱の穴とテーパーの穴は同じ円に見える
  • 視点を変える方法には試料傾斜とビーム傾斜があり、量産ではビームを曲げる方式が使われる
  • ウェハーを傾けない理由は、重量・焦点のずれ・視野の移動・時間の4点
  • ±θ の2方向から撮ると、視差 d = 2h sin θ の関係から高さが求まる。傾斜5度・視差100nmなら高さ約574nm
  • 底が見える最大傾斜角は arctan(1÷アスペクト比)。アスペクト比50では約1.1度しか傾けられない
  • しかも傾斜角が小さいと視差も小さい。アスペクト比50では高さ100nmが視差わずか4nmにしかならない
  • 深いほど傾けられず、傾けられないほど分からない。装置性能ではなく幾何学が決めた限界である
  • 側壁角度、段差、フッティング、アンダーカット、パターンの倒れなどには有効に働く
  • 幾何学の壁を越えるには断面観察が確実だが、試料を壊すため全数には使えない

寸法測定の装置はCD-SEMとは?、欠陥の観察はレビューSEMとは?で解説しています。

参考・出典

※本文中の傾斜角・視差・アスペクト比に関する数値は、記載した式にもとづく計算例です。実際の装置仕様や測定条件によって値は異なります。