CD-SEM（寸法測定）とは
CD-SEM（寸法測定）とは、電子線でウェーハ上のパターンを走査し、線幅や穴の径を自動で測る装置です。 現場では、工程が目標どおりに進んだかを確かめる定規として使われます。
日本電子の用語集は、CD-SEMを、走査電子顕微鏡が持つ観察・分析・測長という機能のうち測長に特化して作られた装置と位置づけ、半導体の製造ラインで工程の寸法管理に使われて数百nm幅のパターン幅を自動で測ると記しています。アドバンテストの製品ページも、フォトマスクやウェーハに描かれた配線のパターンのような微細な表面の構造を、高い精度で安定して測ると案内しています。対象はウェーハとフォトマスクの両方に及びます。
光学顕微鏡が限界に来たところから始まりました
Section titled “光学顕微鏡が限界に来たところから始まりました”半導体歴史館は、1980年代に縮小投影露光方式でサブミクロン領域の微細加工が可能になった一方、その細かさが光学的な解像限界の近くまで来たので、従来の光学顕微鏡による寸法の計測と管理が問題になってきたと記しています。走査電子顕微鏡は、光学顕微鏡に比べて焦点深度が深く分解能も高いのですが、電子線を当てると帯電で像が劣化し、素子の損傷も生じるため、当時のままでは寸法検査で使いにくい装置でした。
同館によれば、1984年に日立がこの課題を解いてS-6000という装置を世に送りました。電界放射型の電子銃を使い、約1kVという低い加速電圧にして帯電と素子の損傷を防ぎ、対物レンズの磁場の中を通して二次電子を拾う方式で信号の対称性を確保したうえで、1時間あたりの測定枚数が多い自動装置に仕立てたものです。日本表面科学会の解説誌に載った日立ハイテクノロジーズと日立製作所の技術者によるレビューも、1984年ごろのデザインルールは1.3μmで、1985年の商用機が加速電圧1kV程度で15nmの分解能を得たと書いています。ここに挙げた年と値は、いずれも公開資料に載る当時の記述です。
何を写し、何を数字にしているのか
Section titled “何を写し、何を数字にしているのか”同じレビューは、測定の中身を次のように述べています。電子銃から出たビームを、収束レンズで細く絞ってから偏向器で試料の上を二次元に走査します。照射で表面から出た二次電子を検出器が拾い、明るさへ変換します。二次電子の量は試料の凹凸に応じて増減するので、表面の像ができあがります。そして走査像のうち寸法を測る箇所を指定し、そこでの二次電子の強さの分布と倍率から、寸法を演算します。端の位置を確定する方法にはしきい値を使うものなどがあり、いずれも自動で行われます。
日立製作所の研究開発の記事も、段差になった端の部分では電子が多く発生するので、その電子を捉えれば形が分かり、パターンの寸法が測れると述べています。像を人が眺めて判断するかわりに、波形の山の位置を数字にする、という点がCD-SEMの性格を形づくっています。
現場での動きも自動です。前述のレビューは、レシピを設定するとウェーハがカセットから取り出されてステージへ運ばれ、ウェーハの中のアライメント点を使い、光学顕微鏡の像と電子ビームの像という二段階で位置を合わせ、測定点へ移動し、焦点の自動調整とパターン認識で測定点の位置を合わせてから、測長に十分な倍率へ拡大して寸法を自動で測る、という流れを示しています。2006年時点の記述として、1時間あたり40枚から50枚のウェーハを自動で測り切るとも書かれています。
ものさし自身の誤差が、許される幅を食います
Section titled “ものさし自身の誤差が、許される幅を食います”CD-SEMがずれていると、良品を捨てたり不良を流したりします。さらに困るのは、装置Aと装置Bで同じウェーハが異なる値になったとき、エッチングを直すべきなのか装置を直すべきなのかで迷いが生じることです。
日立製作所の研究開発の記事は、この事情を数字で述べています。顧客が作る回路パターンが10nmから20nmのとき、目標寸法の1割までを作りのばらつきとして許すのが一般的です。すると許されるばらつきは1nmから2nmです。ここで測長SEMの誤差が1nmもあれば、作りのばらつきは装置の誤差に埋もれます。作りのばらつきに対して装置間の差を1割までとするなら、0.1nmの水準まで抑え込む必要が生じます。同社は第2世代のCG7300でこの差を0.1nmに抑え、従来機種比で1割の向上になったとしています。これらは同社の記事での例と値です。
日本表面科学会に載ったレビューは、この安定度を三つに切り分けています。1台の装置で同じパターンを続けて測ったときのばらつきが短期再現性、同じパターンを別の装置で測ったときのばらつきが機差、同じ装置で長期にわたって測ったときのばらつきが長期再現性です。機差を詰める作業は装置マッチングと呼ばれ、一般には画像を取るときの倍率を合わせ込むところから行われます。
そのうえで同レビューは、再現性や装置間の一致が安定性の指標にとどまるとしたうえで、測った値そのものが真の寸法とずれていては困ると指摘しています。そこで、ピッチの間隔が外部の標準へたどれるグレーティング試料を使い、10万倍程度で測長して、校正値に合うように倍率を較正します。日本電子の用語集も、測定精度を上げるために標準マイクロスケールのような倍率標準試料で較正を行うと書いています。安定していることと、正しいことを別々に確かめる、という順序になります。
何を差し出すのか
Section titled “何を差し出すのか”電子線を当てて測る以上、測る相手が少し縮みます。前述のレビューは、フォトレジストのうちArF露光用のパターンが電子線の照射で収縮するため、撮像時の照射量を小さくせざるを得ず、その結果として信号対雑音比の低い状態で測ることになると述べています。像を鮮明にしたければ電子を多く当てたいのですが、当てるほど測っている相手が縮みます。この綱引きが、CD-SEMの測長アルゴリズムを難しくしている理由です。日本電子の用語集が挙げる1kV以下という低加速電圧も、帯電を避けると同時に試料の損傷を防ぐための選択です。
時間も差し出します。先に挙げた1時間あたり40枚から50枚は2006年の記述ですが、走査電子顕微鏡として速い部類でも、測れる枚数と点数には限りがあります。したがって実務ではサンプリングの設計が要ります。どのロットの、どのウェーハの、どの座標を測るかを選ぶ作業が、装置の性能と同じくらい結果を左右します。
測る量そのものも増えています。同レビューは、50nm以下の世代では直線の端の局所的なうねりまで測るようになったと述べ、これはラインエッジラフネスとして管理されます。幅という一つの数字に加えて、端のうねりもEUV世代の管理対象へ加わりました。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”CD-SEMとは何ですか？
電子線でウェーハ上のパターンを走査し、線幅や穴の径を自動で測る装置です。日本電子の用語集は、走査電子顕微鏡が持つ観察・分析・測長のうち測長の機能に特化した装置で、半導体の製造ラインで工程の寸法管理に使われると記しています。
電子線を使う理由は何ですか？
光学顕微鏡が分解能の限界に達したためです。半導体歴史館は、1980年代の縮小投影露光でサブミクロンの加工が可能になった一方、その細かさが光学的な解像限界の近くまで来たため、光学顕微鏡による寸法計測と管理が問題になってきたと記しています。
どうやって寸法の数字を求めているのですか？
二次電子の強さの分布から端の位置を求めます。日本表面科学会に載った解説は、走査像のうち測る箇所を指定したうえで、そこでの二次電子の強さの分布と倍率から寸法を演算し、しきい値法などの端の検出で自動的に求めると述べています。
測った値はどこで使いますか？
露光やエッチングの条件へ反映します。目標値との差を確かめて次のロットの条件を調整するため、CD-SEMは工程を合わせ込むための入口になります。
なぜ装置ごとの差が問題になるのですか？
どちらの数字を信じるかで迷いが生じるためです。日立製作所の研究開発の記事は、目標寸法の1割を作りのばらつきに許し、そのばらつきに対してさらに1割まで装置間の差を認めると、0.1nmの水準まで差を抑える必要が生じるとしています。
CD-SEMは何を差し出していますか？
測る相手が少し縮む点です。日本表面科学会に載った解説は、ArFレジストのパターンが電子線の照射で収縮するため撮像時の照射量を小さくせざるを得ず、その結果として信号対雑音比の低い状態での計測が必要になると述べています。
測った値が真の寸法に近いことは、どう担保しますか？
外部にたどれる標準試料で倍率を較正します。同じ解説は、再現性や装置間の一致が安定性の指標にとどまるとしたうえで、ピッチの間隔が外部の標準へたどれるグレーティング試料で倍率を較正する手順を挙げています。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”- オーバーレイ計測とは ── 同じ露光後の計測で、こちらは層と層の位置のずれを測ります
- エリプソメトリとは ── 同じ非破壊の計測で、こちらは膜の厚さを光で測ります
- 断面観察とは ── 切って直接観察する側で、CD-SEMは切らずに上から測ります
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- 日本電子「測長SEM」走査電子顕微鏡 基本用語集（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── CD-SEMが走査電子顕微鏡の観察・分析・測長のうち測長に特化した装置であること、半導体の製造ラインで工程の寸法管理に使われ数百nm幅のパターン幅を自動測定すること、非導電性の試料が対象になるため1kV以下の低加速電圧が使われ試料の損傷も防いでいること、パターンの端を自動検出して測ること、測定精度を上げるために標準マイクロスケールのような倍率標準試料で較正を行うこと
- 半導体歴史館「測長SEM(CD-SEM)」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 1980年代の縮小投影露光でサブミクロン領域の微細加工が可能になった一方その微細度が光学的な解像限界の近傍まで来たため光学顕微鏡による寸法計測・管理が問題になったこと、走査型電子顕微鏡が光学顕微鏡より焦点深度と解像度に優れる一方で電子線照射による帯電が像の劣化と素子の損傷を招き寸法検査の妨げになったこと、1984年に日立がS-6000 CD-SEMを開発したこと、電界放射型電子銃と約1kVの低加速電圧で帯電と素子損傷を防いだこと、レンズ磁場を通して二次電子を検出する方式で信号の対称性を確保し高スループットの自動装置にしたこと
- 日立製作所 研究開発「世界トップシェアの測長SEMで最先端半導体の開発を下支えしつつ、さらなる究極の高精度化の実現をめざす。」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 段差になったエッジの部分で電子が多く発生するためその電子を捉えれば形状が分かりパターン寸法が測れること、測長SEMが半導体回路のパターン測定における基準のものさしになること、ターゲット寸法の10%までを製造のばらつきとして許すのが一般的で10〜20nmのパターンでは1〜2nmになること、測長SEMの誤差が1nmあると製造のばらつきが装置の誤差に埋もれること、製造のばらつきに対して機差を10%まで認めると0.1nmのオーダーまで抑える必要が生じること、CG7300が機差を0.1nmに抑え従来機種比で10%向上したこと、CG7300が2019年に製品化されたこと
- 日本表面科学会「CD-SEMによる微細寸法計測技術」表面科学 第27巻 第11号（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 1984年頃のデザインルールが1.3μmであったこと、1985年の商用測長SEMが加速電圧1kV程度で15nmの分解能を得たこと、電子ビームを収束レンズで絞り偏向器で二次元走査し二次電子を検出して像を得ること、走査像で測る場所を指定し二次電子強度分布と倍率から寸法を演算すること、端の検出にしきい値法などがあり自動的に行われること、レシピ設定から搬送・二段階のアライメント・オートフォーカス・自動測長までの流れ、2006年時点で1時間あたり40〜50枚のウェーハを全自動測定すること、再現性が短期再現性・機差・長期再現性の3要素で構成されること、機差の一般的な合わせ込みが画像取得時の倍率であること、ArFレジストが電子線照射で収縮するため照射量を小さくせざるを得ず低S/N下での計測が必要になること、再現性とマッチングが安定性の指標であり真の寸法とのずれを別に確かめる必要があること、トレーサビリティが確立されたグレーティング試料を10万倍程度で測長して倍率を較正すること、50nm以下では直線の端の局所的なうねりまで測るようになったこと
- アドバンテスト「測長SEM／欠陥レビューSEM」製品ページ（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 走査型電子顕微鏡の技術を応用し、フォトマスクやウェーハ上の配線パターンなど微細な表面構造を高精度かつ安定的に測定・レビューする製品群であること