エミッション顕微鏡とは
エミッション顕微鏡とは、半導体デバイスへ電圧をかけたときに出る微弱な光を高感度カメラで検出し、電気の異常が起きている位置を絞り込む装置です。 材料科学技術振興財団は、この手法をEMSと呼び、EMMS、PEM、EMIという呼び方も併記しています。
不良品が1個返ってきたとき、現場が最初に困るのは場所です。ソニーセミコンダクタソリューションズの半導体品質・信頼性ハンドブックは、故障症状を保ったままどこまで絞り込めるかで故障原因の究明率が大きく変化するとし、高集積デバイスの中から直径数十nmの故障箇所を探す作業を、東京ドームの敷地に建った10階以上の建物へ落とした100円硬貨を探すのに等しいと例えています。同社の公開資料の記述です。
場所を絞らずに削り始めると、後戻りが難しくなります。同ハンドブックは、破壊解析へ入ると後戻りが難しいため、可能な限り非破壊の解析技術を使うと述べています。エミッション顕微鏡は、その非破壊側の道具です。
発光は、電流が無理をしている場所から届きます
Section titled “発光は、電流が無理をしている場所から届きます”ロームの品質・信頼性ハンドブックは、発光解析を、通電中のデバイスから出る微弱なフォトンを高感度カメラで捉え、光っている位置を画像に起こす手法とし、もとになる現象として、キャリアの再結合による発光、高い電界での衝突電離でキャリアが増えることに伴う発光、ホットキャリアが散乱するときの発光を挙げています。
ルネサス エレクトロニクスの信頼性ハンドブックは、接合のリークや絶縁膜の破壊があるところへ電圧をかけると、その箇所へ電界が集中してホットキャリアが生まれ、再結合の際に放たれる光を検出器が拾う、と述べています。材料科学技術振興財団は、発光源としてさらに、pn接合の順方向バイアスやラッチアップのようなバンド間再結合による発光、配線間ショートや配線の細りによる抵抗増大の熱放射を挙げています。
装置はデバイスへ何かを当てるかわりに、デバイスが自分で放つ光を待ちます。したがって、電流が流れる状態を作るところが前提になります。ルネサスのハンドブックは、チップ表面を露出させるため、パッケージを分解しチップのコーティング膜を除去する前処理が要ると記しています。
暗室でバイアスをかけ、パターン像へ重ねます
Section titled “暗室でバイアスをかけ、パターン像へ重ねます”ロームのハンドブックは、測定を暗室環境で行い、電流の異常が再現するようバイアスをかけた状態で発光像を取得し、あわせてチップのパターン像を取得して重ねて表示する、と手順を記しています。浜松ホトニクスも、PHEMOS-Xのスーパーインポーズ機能として、高解像度のパターン像へ信号像を重ねる方式を挙げています。
発光像そのものは、暗闇に浮かぶ点の集まりです。チップ上の座標を与えるのは、パターン像の側です。
材料科学技術振興財団は、同財団の装置仕様として、検出波長範囲400〜1600nm、発光箇所の位置精度約1μm、対物レンズ0.8倍から100倍、最大印加電圧2000V（カーブトレーサ使用時）を挙げています。同財団が所有する装置の値です。
多層配線をよけて、裏面から観察します
Section titled “多層配線をよけて、裏面から観察します”ソニーのハンドブックは、配線層の積層化によって上層からでは配線層が障害になるため、チップの裏面を露出させてアプローチする必要があると述べ、対象チップの裏面を開口したうえで電気特性を保つ加工を活き造り加工と呼んでいます。同社の公開資料の記述です。モールド樹脂の開封やウェーハ薄化に近い加工が、観察の前に来ます。
検出器の選び方も、この面の選択と関わります。同ハンドブックは、超高感度冷却CCDカメラの有効感度をおよそ200〜1000nm、MCTカメラやInGaAsカメラの有効感度をおよそ800〜2000nm付近とし、シリコンを透過しやすい赤外光に強いInGaAsカメラのほうが近年のデバイス解析に有利だとしています。材料科学技術振興財団は、可視域から近赤外域という測定波長に対して透明な材料が対象になるとも記しています。
発光点と原因の位置がずれることがあります
Section titled “発光点と原因の位置がずれることがあります”ここが取引です。ソニーのハンドブックは、通常のトランジスタ動作でも電流が流れるため発光を伴うとし、得られた発光の意味を十分に吟味して解釈する必要があると述べ、発光箇所と不具合位置が異なる事例を図に挙げています。同社の公開資料の記述です。ロームのハンドブックも、発光位置を電気の異常点の局在を示す情報とし、回路情報と発光位置を合わせて原因箇所の特定精度を高めると記しています。
東芝デバイスソリューションは、PEM解析が有効な故障モデルとして、トランジスタ内のリーク不良（ゲート酸化膜の異常やポリシリコン形成の異常など）、発光箇所の出力配線での配線間ショート不良、発光箇所の入力配線のオープンや高抵抗不良を挙げています。3つ目は、光った素子より手前の配線に原因があるものです。
得るものと差し出すものが、ここで釣り合います。デバイスが自分から光を放つため、こちらの操作は電圧をかけるところで済み、ソニーのハンドブックは発光解析の利点としてAC・DCどちらの状態でも解析が進む点を挙げています。その代わり、光った点の意味を回路のつながりからたどる仕事が続きます。加えて、電流の異常を再現できた状態でだけ光ります。東芝デバイスソリューションは、PEM解析でATEとリンクし、所望の動作をさせながら発光を観察する方式を挙げています。
浜松ホトニクスは、PHEMOS-Xの仕様として、超高感度カメラを2台まで搭載できるとし、発光と発熱、あるいは可視光と近赤外光という別々の検出波長域を1台の装置で扱えるため、試料や不良モードに応じて手法を選べるとしています。ルネサスのハンドブックは、こうして絞った故障位置を削って観察・分析する工程を、設計とプロセスの見直しへつなぐ最終段階だと位置づけています。発光点は、歩留まりや信頼性試験の結果を工程へ返すための出発点になります。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”エミッション顕微鏡とは何ですか？
半導体デバイスへ電圧をかけたときに出る微弱な光を高感度カメラで検出し、電気の異常が起きている位置を絞り込む装置です。材料科学技術振興財団は、この手法をEMSと呼び、EMMS、PEM、EMIという呼び方も併記しています。
どんな不良に向く手法ですか？
電流が余分に流れるタイプの不良です。ルネサス エレクトロニクスの信頼性ハンドブックは、電源電流が増えるリーク系の故障に発光解析やOBIRCH法を主に使うとしています。材料科学技術振興財団は、対象の例としてクラック、結晶欠陥、ESDによる酸化膜破壊、Alスパイクによるショートを挙げています。
光っている場所が故障箇所ですか？
発光位置は、電気の異常が集まっている位置を指す手がかりです。ロームの品質・信頼性ハンドブックは、回路情報と発光位置を合わせて原因箇所の特定精度を高めるとしています。ソニーセミコンダクタソリューションズのハンドブックは、発光箇所と不具合位置が異なる事例を図に挙げ、複数の手法の併用を勧めています。
なぜ暗室で測るのですか？
対象が微弱な光だからです。ロームのハンドブックは、暗室環境で、電流の異常が再現するバイアスをかけた状態で発光像を取得し、あわせてパターン像を取得して重ねる手順を記しています。
表面と裏面のどちらから観察しますか？
どちらもあります。ソニーのハンドブックは、配線層の積層化によって上層からの観察が難しくなるため、チップの裏面を露出させてアプローチすると述べています。東芝デバイスソリューションは、PEM解析の観察方向として表面と裏面の双方を挙げています。
検出器はどう選びますか？
波長域で選びます。ソニーのハンドブックは、超高感度冷却CCDカメラの有効感度をおよそ200〜1000nm、MCTカメラやInGaAsカメラの有効感度をおよそ800〜2000nm付近とし、シリコンを透過しやすい赤外光に強いInGaAsカメラのほうが近年のデバイス解析に有利だとしています。同社の公開資料の値です。
OBIRCHとどう使い分けますか？
信号の作り方が異なります。エミッション顕微鏡はデバイスが自分で放つ光を待ち、OBIRCHは赤外レーザで局所を温めて電流の変化を読み取ります。ソニーのハンドブックは、発光解析がAC・DCどちらの状態でも進む一方、IR-OBIRCHでは反応が出た場所がほぼそのまま故障箇所になるとしています。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”この記事の事実は、誰でも読める公開資料を根拠とし、各URLの到達可否をこちらで実測しています。したがって、リンク先が移動または消滅した場合は、その旨をこのページへ反映します。
- 材料科学技術振興財団「［EMS］エミッション顕微鏡法」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── EMSの呼び方、発光源の種類、検出波長範囲400〜1600nm、位置精度約1μm、最大印加電圧2000V、透明な材料が対象になる条件
- ソニーセミコンダクタソリューションズ「半導体品質・信頼性ハンドブック 第3版」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 絞り込みの重みと100円硬貨の例え、非破壊解析を優先する方針、検出器の感度波長域、AC・DCどちらでも進む点、発光箇所と不具合位置が異なる事例、活き造り加工
- ローム「品質・信頼性ハンドブック」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 発光解析が検出する対象と発光のもとになる現象、暗室でバイアスをかけてパターン像と重ねる手順、発光位置を回路情報と合わせる考え方
- ルネサス エレクトロニクス「半導体信頼性ハンドブック」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 電界集中とホットキャリアによる発光の原理、リーク系故障への適用、開封と膜除去の前処理、削って観察・分析する工程を設計とプロセスへつなぐ最終段階とする位置づけ
- 東芝デバイスソリューション「半導体故障解析」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── PEM解析が有効な故障モデル、観察方向が表面と裏面の双方である点、テスターとリンクした発光観察
- 浜松ホトニクス「PHEMOS-X エミッション顕微鏡 C15765-01」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── スーパーインポーズ機能によるパターン像と信号像の重ね合わせ、超高感度カメラ2台で異なる検出波長域をカバーする構成