傾斜SEM（Tilt SEM）とは？高さを測る原理とアスペクト比の壁

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。

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

• アドバンテスト「測長SEM／欠陥レビューSEM」
• Applied Materials「Accelerates Chip Defect Review with Next-Gen eBeam System」
• SEAJ「半導体製造装置分類表」

※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。