断面SEMとは？FIBとCPの使い分けと試料作製という本丸

上から見ても、斜めから見ても分からないものがあります。膜の中に埋もれた構造です。

深い穴の底、積層した膜の界面、金属の中にできた空洞——表面からの観察では、どうしても届きません。傾斜SEMにも幾何学的な限界があります。

ならば切って直接見る。それが断面SEMです。

ただしこの手法の難しさは、観察そのものにはありません。いかに狙った場所の断面を作るか——ここに技術が集中しています。

断面SEMとは｜推定ではなく実測

断面SEMは、試料を切断・研磨して断面を露出させ、その面をSEMで観察する手法です。

他の測定手法との決定的な違いは、推定を挟まないことです。

手法	得られるもの	性質
上からのSEM	平面の像	高さは分からない
傾斜SEM	視差から高さを算出	計算による推定
光学的な測定	反射光から形を推定	モデルに依存
断面SEM	断面の形そのもの	直接見る

膜が何層あるのか、それぞれ何ナノメートルか、界面はどうなっているか。見れば分かります。だから最終的な判断の拠りどころになります。

代償は明確です。その試料はもう製品になりません。

難しいのは観察ではなく試料作製

断面を出す方法は、いくつもあります。

方法	やり方	向くこと
劈開（へきかい）	結晶の面に沿って割る	速い。おおまかな場所でよいとき
機械研磨	切断して磨く	広い範囲。ただし加工の傷が残る
CP	幅の広いArイオンビームで削る	広範囲をきれいに
FIB	細く絞ったGaイオンビームで削る	狙った1点を正確に

シリコンは結晶なので、特定の方向に沿ってきれいに割れます。これが劈開です。速くて簡単ですが、「ちょうどこの欠陥のところで割る」ことはできません。

狙った場所を見たいなら、イオンビームで削る方法が必要になります。ここで2つの選択肢が現れます。

CPとFIB｜数字で見る使い分け

日本電子（JEOL）は、両者の違いを次のように説明しています。

項目	CP（クロスセクションポリッシャ）	FIB（集束イオンビーム）
イオン源	アルゴン	ガリウム
最大加工幅	8 mm	数百 μm
加工位置精度	3 μm 程度	10 nm 程度
得意	広範囲の断面、構造解析	特定位置の断面、欠陥解析

CPは幅の広いアルゴンイオンビームを照射する方式です。試料表面に遮蔽板を置き、そこから突き出た部分を削ります。数ミリメートル幅の断面が作れます。

一方FIBは、細く絞ったガリウムイオンビームで削ります。

位置精度は300倍違う

まず加工位置の精度を比べます。

3 μm ÷ 10 nm ＝ 300倍

FIBは狙った場所を300倍細かく指定できます。特定の欠陥1個を出したいなら、FIB以外に選択肢はありません。

ところが時間は45倍違う

同社が示す加工例を比べると、逆の関係が見えてきます。

	CP	FIB
処理時間	約15時間	約20分
断面サイズ	幅1.8mm × 深さ1.5mm	幅60μm × 深さ20μm

1点だけ見るなら、FIBは45倍速いことになります（15時間 ÷ 20分）。

しかし断面の面積を計算すると、話が変わります。

• CP：1.8 × 1.5 ＝ 2.7 mm²
• FIB：0.06 × 0.02 ＝ 0.0012 mm²

2.7 ÷ 0.0012 ＝ 2,250倍

CPの断面は、FIBの2,000倍以上の広さがあります。時間あたりで割ってみます。

	面積あたりの速さ
CP	2.7 mm² ÷ 15時間 ＝ 約0.18 mm²/時
FIB	0.0012 mm² ÷ 0.33時間 ＝ 約0.0036 mm²/時

CPはFIBの約50倍、面積を稼げる

ここに使い分けの本質があります。

• どこを見ればいいか分かっている → FIB（1点を正確に、速く）
• どこを見ればいいか分からない → CP（広く削って探す）

欠陥の座標が検査装置から得られているならFIBが有効です。逆に「どこかおかしいが場所が特定できない」ときは、広い断面を作って探すほうが早い場合があります。

FIBの仕組み

FIBがどうやってナノメートル単位の加工をするのか、原理を見ておきます。

JEOLの説明によれば、液体金属イオン源（LMIS）から電界蒸発によってGa⁺イオンビームを発生させ、電界で加速し、静電レンズで試料上に集束させます。

この装置には3つの機能があります。

機能	内容
観察	二次電子によるSIM像。最高分解能は5nm以下
加工	イオンのスパッタリング効果で削る。精度は約0.1μm
成膜	有機金属ガス（W(CO)₆など）を導入して膜を成長させる

注目したいのは、削るだけでなく「付ける」こともできる点です。この成膜機能が、次に述べる保護膜で重要な役割を果たします。

ビーム電流を4桁変える

同社によれば、ビーム電流は数pA以下から数十nAまで可変です。

この幅がどれほどかを確認します。仮に5pAと50nAとすると——

50 nA ÷ 5 pA ＝ 10,000倍

なぜこれほど変える必要があるのでしょうか。削る段階によって求められるものが違うからです。

• 粗加工：大電流で一気に掘る。速さが優先
• 仕上げ：小電流で丁寧に整える。面の質が優先

大電流のまま仕上げれば、断面はガタガタになります。逆に小電流だけで掘れば、いつまでも終わりません。途中で切り替えることが前提の装置なのです。

なぜ保護膜を付けるのか

FIBで断面を作るとき、削る前に表面へ膜を付けます。

JEOLも、有機金属ガス雰囲気中でイオンビームを走査してカーボンの保護膜を成膜し、試料表面を保護しながら加工すると説明しています。

なぜわざわざ膜を付けるのでしょうか。理由は削り方の性質にあります。

凹凸があると縞ができる

イオンビームで削るとき、表面が平らでないと削れ方が不均一になります。

出っ張った部分と凹んだ部分では、イオンの当たり方が変わります。すると削り進むにつれて差が広がり、断面に縦方向の縞が現れます。カーテンのように見えることから、この現象はカーテニングと呼ばれます。

縞が出ると、本来の構造なのか加工の痕なのか区別がつきません。観察したい情報が加工によって汚されるわけです。

そこで先に平らな膜をかぶせ、イオンビームから見て表面を均一にします。削り始めが揃えば、その下も揃って削れます。

膜は断面の縁を保護する役目も果たします。むき出しの角は削れて丸まりやすく、最表面の膜厚が正しく測れなくなるためです。

なお、FIBで壁のように薄い一枚を切り出せば、透過型電子顕微鏡で原子レベルの観察もできます。TEMとは？で解説しています。

スライス&ビュー｜断面から立体へ

FIBとSEMを組み合わせると、さらに踏み込んだことができます。

JEOLのデュアルビーム装置は、断面加工をしながら一定間隔で自動的にSEM像を取得する3D解析機能を標準で備えていると説明されています。

手順は単純です。

1. 少し削る
2. 断面を撮る
3. また少し削る
4. また撮る

これを繰り返し、得られた断面像を積み重ねれば立体構造が再現できます。

どれくらい時間がかかるか

深さ10マイクロメートルの範囲を、10ナノメートル刻みで再構成する場合を考えます。

10 μm ÷ 10 nm ＝ 1,000回

1回の「削って撮る」に1分かかるとすると——

1,000分 ＝ 約16.7時間

試料1点の立体化に、丸一日近くかかる計算です。得られる情報は圧倒的ですが、日常的に回せる手法ではありません。

だからこそ、この手法は「どうしても分からない」場面のために取っておかれます。

加工が試料を変えてしまう

もうひとつ、断面SEMには避けがたい性質があります。見るために加工すると、加工が試料を変えることです。

• Ga⁺イオンは試料に打ち込まれ、表層に残る
• 結晶が乱され、変質した層ができる
• 削られた材料が、周囲に再付着することがある

つまり見ている断面は、加工前とまったく同じ状態ではありません。そのため仕上げでは電流を絞り、影響を最小限に抑える操作が行われます。

「壊して見る」手法である以上、見えたものが本当にもとの姿かを常に意識する必要があります。

形ではなく元素の分布を知りたい場合は、別の破壊分析が使われます。SIMSとは？で解説しています。

いつ切るのかという判断

最後に、運用面の話をします。

断面SEMは破壊検査です。1枚のウェハーを断面用に使えば、その分の製品は失われます。

しかし考え方を変えると、1枚を犠牲にして原因が分かれば、残りを救えます。25枚のロットで1枚を使えば損失は4％ですが、原因不明のまま作り続ければ全数が無駄になりかねません。

そのため実務では、次のような流れになります。

1. 工程内では壊さない測定で日常的に監視する
2. 異常の兆候が出たら、レビューSEMなどで表面から確認する
3. それでも分からなければ、断面を作って確かめる

断面SEMは最後の手段であり、だからこそ確実でなければなりません。

こうした解析は、専門の分析機関へ依頼することもできます。受託分析とは？をご覧ください。

よくある質問

断面SEMと通常のSEM観察は何が違いますか？

通常は表面を上や斜めから見ますが、断面SEMは試料を切って断面を露出させ、その面を見ます。埋もれた構造や膜の積層状態を、推定ではなく直接確認できます。

CPとFIBはどう使い分けますか？

見る場所が特定できているならFIB、分からないならCPです。FIBは加工位置精度10nm程度で狙えますが加工幅は数百μm、CPは精度3μm程度ながら最大8mm幅の断面を作れます。

なぜ削る前に保護膜を付けるのですか？

表面に凹凸があると削れ方が不均一になり、断面に縦縞（カーテニング）が生じるためです。平らな膜をかぶせて表面を揃えることで、その下も均一に削れます。断面の角が丸まるのを防ぐ役目もあります。

3D再構成にはどのくらい時間がかかりますか？

条件によりますが、深さ10μmを10nm刻みで見るなら1,000回の「削って撮る」が必要です。1回1分なら約16.7時間かかる計算になり、日常的に多数へ適用できる手法ではありません。

断面SEMで見た形は正確ですか？

加工によってイオンが打ち込まれ、表層に変質した層ができるため、加工前と完全に同じ状態ではありません。仕上げで電流を絞るなど、影響を抑える操作が行われます。

まとめ

• 断面SEMは試料を切って断面を直接見る手法で、推定を挟まない点が他と決定的に違う
• 難所は観察ではなく試料作製。劈開・機械研磨・CP・FIBという手段がある
• JEOLによれば、CPはArイオンで最大8mm幅・位置精度3μm、FIBはGaイオンで数百μm幅・位置精度10nm
• 位置精度は300倍FIBが上。しかし断面積はCPが2,250倍広く、面積あたりではCPが約50倍速い
• 1点を狙うならFIB（約20分）、広く探すならCP（約15時間で2.7mm²）という使い分けになる
• FIBはLMISからGa⁺を発生させ、観察・加工・成膜の3機能を持つ。ビーム電流は数pA〜数十nAと約1万倍の幅で、粗加工と仕上げを切り替える
• 削る前の保護膜は、カーテニング（縦縞）を防ぎ断面の角を守るために必要
• スライス&ビューで立体化できるが、深さ10μmを10nm刻みなら約16.7時間を要する
• Ga⁺の打ち込みで変質層ができるため、見えた姿は加工前と完全に同一ではない

表面からの観察は傾斜SEMとは？、欠陥の特定はレビューSEMとは？で解説しています。

参考・出典

• JEOL 日本電子「FIB の概要」
• JEOL 日本電子「CPとFIBによる断面試料作製」
• JEOL 日本電子「JIB-4700F 複合ビーム加工観察装置」
• SEAJ「半導体製造装置分類表」

※処理時間や3D再構成の所要時間は、公表されている加工例と記載の条件にもとづく計算です。実際の値は試料や設定によって変わります。