参照計測とは
参照計測とは、量産用の計測装置とは別に、桁違いに正確で安定した計測系を用意し、その値を基準にして現場の装置へ目盛を与え、装置間の差を追い続ける仕組みです。 現場の測長SEMが数分で返す数値の根拠は、この側にあります。
JEITAの半導体技術ロードマップ専門委員会が訳したITRS 2007年版のメトロロジの章は、基準計測システム、いわゆるRMSを、一つの機器であるか、いろいろな寸法測定の側面において複数の機器がそれぞれの性能で互いに補完し合う一組の機器だと記しています。同章によれば、RMSは応用物理と厳密な統計と測定誤差の適切な取りまわしといった寸法計測の最良の科学技術に基づいて十分に検証されており、そのぶん生産工場に並ぶ他の装置よりおそらく桁違いに正確で精度が高くなります。2007年版の記述です。
同章は、RMSに求める性質として安定を挙げています。他の測定システムがうまく折り合えるだけの安定があってはじめて、工場の計測装置間での測定の差を追跡し、生産用計測器の性能とマッチングを昼夜にわたって制御する役に立ちます。
参照計測を欠いたラインで何が起きるかは、産業技術総合研究所の計量標準総合センターがまとめた技術資料が書いています。同資料によれば、いまのCD計測は各プロセスから特別に選別したゴールデンウェーハを標準試料として使い、それと製造プロセスを通ったウェーハとの比較測定で製造プロセスの再現精度を確保しています。手に入るのは再現精度までで、計測値の正確さも、製造プロセス間と計測装置間にあるバイアスも、その外側にとどまります。同資料は、微細化が進むにつれてこのバイアス由来の計測不確かさが歩留りを削るほど大きくなり、それが工場間や企業間での計測結果の差として表に出ると続けています。
日本の量産ラインでは、この鎖がどうつながっているのか
Section titled “日本の量産ラインでは、この鎖がどうつながっているのか”NEDOの実用化ドキュメントは、100ナノメートル間隔の目盛を刻んだ標準マイクロスケールが測長SEMへ載るまでの経緯をまとめています。2000年代に入って従来の240ナノメートル間隔の目盛では微細化に追いつく力が尽き、日立製作所と日立ハイテクノロジーズが100ナノメートル間隔のスケールを開発しました。当時、その目盛が本当に100ナノメートルであることを国際的に保証する装置は空白のままでした。従来の校正に使っていた波長325ナノメートルのヘリウムカドミウムレーザーでは、波長が長すぎたためです。回折光は光の波長の2分の1以上の長さがあれば作れるので、100ナノメートルの目盛には200ナノメートルより短い波長が要ります。
そこでNMIJが2002年から、国際単位系のメートルを出発点にして100ナノメートル間隔を厳密に測る校正装置の開発に入り、2006年に深紫外レーザー回折式ピッチ校正装置を完成させました。同ドキュメントによれば、この装置は波長193ナノメートルの深紫外パルスレーザーを標準マイクロスケールへ当て、その波長と回折角から目盛間隔を求めます。波長の側は、真空波長が国家標準によって11桁まで分かっているよう素安定化ヘリウムネオンレーザーを起点に、そこから8桁まで値付けされた実用波長安定化ヘリウムネオンレーザーと比較し、5桁まで値付けする波長計を自作して鎖を延ばしました。角度の側は、角度エンコーダーを国家標準の角度校正装置で校正しています。この2本立てで、100ナノメートルを原子1個分より小さい0.04ナノメートルの不確かさで測れるところまで届きました。
同ドキュメントによれば、この技術は日本品質保証機構へ移され、同機構が計量法に基づく校正事業者登録制度、いわゆるJCSSの認定を受けて校正サービスを始めています。製品評価技術基盤機構の認定センターは、JCSSが計量法トレーサビリティ制度の略称であり、そのうち校正事業者登録制度を同センターが運営していると記しています。校正証明書の付いた標準マイクロスケールは2007年12月から測長SEMに載って販売が始まり、2012年には年間200台以上の測長SEMへ届きました。同ドキュメントに載る2013年12月取材時点の数字です。
寸法そのものの校正サービスもあります。産総研の技術資料は、NMIJが2015年から線幅の校正サービスを始めたと記しています。対象は線幅、校正範囲は30ナノメートルから0.5マイクロメートル、校正値の拡張不確かさは包含係数2で13ナノメートル、使う装置は傾斜探針AFMです。同資料は、2020年度までに校正範囲を最小10ナノメートルまで広げる計画があり、10ナノメートルの線幅を校正するには現在の不確かさが大きすぎる点を課題に挙げています。
現場では何を選び、どこで代償を払うのか
Section titled “現場では何を選び、どこで代償を払うのか”参照計測を組むときの選択は3つあります。
1つ目は、何を参照の本体へ据えるかです。産総研の技術資料は、絶対寸法計測の点ではAFMが最も適しているとし、理由として三次元で高分解能であることと、実体観察法であり、長さの国家標準まで校正の鎖をたどりやすいことを挙げています。代わりに、AFMは探針が試料表面へ垂直に近づく原理上、開き角を持つ先端が垂直な側壁の手前で止まり、測定結果へ探針形状が混じります。同資料は、破壊計測ではあるもののTEMを使えば非常に小さな不確かさで線幅計測へ届くとし、AFMと相補的に使う道を示しています。実際、NMIJが使う線幅標準試料は、走査透過電子顕微鏡でシリコンの原子間隔を数える手法により、1ナノメートル以下の拡張不確かさで校正されたものです。非破壊を取れば探針の形が値へ混じり、確からしさを取れば試料を壊します。
2つ目は、標準試料をどこから持ってくるかです。ITRS 2007年版のメトロロジの章の和訳は、最適な標準試料は生産プロセスから出てくる製品だとしています。同章はその理由として、標準試料には計測の正確さを揺らしうる微妙で重要なプロセスばらつきが含まれる点を挙げています。市販の一次標準試料に頼れば供給は安定する一方、同章は、そうした標準が使う側の生産プロセスから離れた部分が多く、必要なプロセスばらつきを欠くため、適用範囲が限られることが多いと述べています。自前のウェーハを使えば代表性は上がる一方、値付けの手間が参照側の枠を食います。
3つ目は、どこへ据えるかです。同章は、RMSを工場のクリーンな環境の中へ構える必要があるとしています。半導体プロセスの性質上、そこで測ったウェーハをプロセスストリームへ復帰させられるようにするためです。工場の中へ構えれば装置間の差を昼夜にわたって追える一方、同章は、要求される性能と信頼性のためにRMSが工場の他の装置よりも著しく高度の注意と精査とテストを必要とすると付け加えています。外部の校正事業者へ出せば手間は軽くなる一方、往復のあいだウェーハは工程から離れます。
数値の側の条件も書かれています。同章は、半導体製造プロセスの測定と制御に使う装置を校正するときは、校正用の標準試料の認証値の不確かさが生産プロセスばらつきの4分の1より小さい範囲へ収まる必要があるとしています。ドーパントプロファイルのように正確な測定が要る用途では、標準試料の認証値の正確さがバイアスとばらつきの双方を含めて、要求される最終的な正確さの4分の1より良い範囲へ収まる必要がある、という書き方です。標準試料の場所や時間による特性値の変動も、望む校正の不確かさより十分小さく収める条件が付いています。
参照計測を構えたあとも居座るものがあります
Section titled “参照計測を構えたあとも居座るものがあります”第一に、正確さの見積もりは標準試料の中で片づく範囲を超えます。ITRS 2007年版のメトロロジの章の和訳は、バイアスが試料に依存しているため、正確さを標準試料や標準物質から正当に見積もる道が閉ざされていると述べ、標準試料が対象とする製品やプロセスとは別物だと続けています。残った開きを引き受けるのは計測の相関取りの側で、同章も、スキャトロメトリの計測用の構造で得たCDと回路の中のパターンのCDとのあいだで、相関を取る必要を並べています。
第二に、参照計測が回るのは目盛づけと追跡までです。NEDOの実用化ドキュメントによれば、最初に開発されたレーザー干渉計を組み込んだ原子間力顕微鏡での標準マイクロスケールの校正は年間に5個程度で、計測条件の最適化に約1カ月、温度が落ち着くまで1日以上を要しました。後継の深紫外レーザー回折式ピッチ校正装置でも1日に5個です。返す値の性質も2台で別々です。同ドキュメントによれば、原子間力顕微鏡は装置分解能が0.04ナノメートルで、どの目盛間隔の標準マイクロスケールにも校正が届き、1回に測れる領域が狭いぶん、狭い領域ごとの値を返します。深紫外レーザー回折式ピッチ校正装置のほうは、レーザーの当たった領域の平均が計測値として返ります。日々流れるロットを直接測る役は、装置マッチングと量産機の側へ渡ります。
第三に、人の側にも条件が付きます。同章は、測定に携わるプロセスエンジニアに対し、標準試料の取りまわしと、得られた値の判断について、十分な教育と訓練を積ませる必要があるとしています。新しい世代の立ち上げ、とりわけ材料開発の段階やプロセス装置の開発初期には、適切な標準試料が使える状態にあることを条件に挙げてもいます。
産総研の計量標準総合センターは、測定器が校正の連鎖によって国家標準を基準に校正されたと確かめられる状態を計量トレーサビリティと呼び、認定された校正機関を使えば途中の連鎖をたどる手間を省いたままこれを確保できるとしています。参照計測は、その連鎖の末端を工場の中まで引き込むための仕掛けにあたります。OCDや測長SEMが返す数値は速く、トレーサビリティを担う側は遅く、計測の全体はこの2つの組み合わせで立っています。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”参照計測とは何ですか？
量産用の計測装置とは別に、桁違いに正確で安定した計測系を用意し、その値を基準にして現場の装置へ目盛を与え、装置間の差を追い続ける仕組みです。ITRS 2007年版のメトロロジの章の和訳では、基準計測システム、いわゆるRMSという名前で出てきます。
1台の装置を指すのですか？
1台のこともあれば、一組のこともあります。同章は、RMSを一つの機器であるか、いろいろな寸法測定の側面において複数の機器がそれぞれの性能で互いに補完し合う一組の機器だと記しています。
量産の測長SEMの校正で足りる範囲はどこまでですか？
製造プロセスの再現精度までです。産総研 計量標準総合センターの技術資料は、選別したゴールデンウェーハとの比較測定で確保できるのが再現精度であり、計測値の正確さや、プロセス間と装置間にあるバイアスはその外側にとどまるとしています。
参照計測はどこへ据えるのですか？
工場のクリーンな環境の中です。ITRS 2007年版のメトロロジの章の和訳は、半導体プロセスの性質上、そこで測ったウェーハをプロセスストリームへ復帰させられる場所にする必要があるためだとしています。
どのくらい遅いのですか？
NEDOの実用化ドキュメントによれば、NMIJが最初に開発したレーザー干渉計を組み込んだ原子間力顕微鏡では、標準マイクロスケールの校正が年間に5個程度でした。後に開発された深紫外レーザー回折式ピッチ校正装置で、1日に5個まで上がっています。
標準試料はどのくらい正確ならよいのですか？
同章は、半導体製造プロセスの測定と制御に使う装置を校正するときは、校正用の標準試料の認証値の不確かさが、生産プロセスばらつきの4分の1より小さい範囲へ収まる必要があるとしています。
参照計測を構えれば値は正しくなりますか？
同章は、バイアスが試料に依存しているため、標準試料から正確さを正当に見積もる道が閉ざされているとしたうえで、一次標準試料が使う側の生産プロセスから離れた部分が多く、必要なプロセスばらつきを欠く点を挙げています。残った開きは計測の相関取りが引き受けます。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”- 計測の相関取りとは ── 参照計測が与えた値をもとに、装置ごとの読みを翻訳する側です
- トレーサビリティとは ── 参照計測が工場の中へ引き込もうとしている、校正の連鎖そのものです
- 装置マッチングとは ── 参照計測が追った差を、装置側で詰めにいく作業です
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- JEITA 半導体技術ロードマップ専門委員会「ITRS 2007年版 メトロロジ 和訳」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 基準計測システムの中身と据え場所、標準試料の要件と認証値の不確かさの条件、一次標準試料の適用範囲、標準試料から正確さを見積もる道が閉ざされていること、携わる人への教育の条件
- NEDO 実用化ドキュメント「原子1個分の誤差を保証 世界最小のものさしを実現」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 100ナノメートル標準マイクロスケールの校正装置の開発経緯、波長と角度の校正の桁数、0.04ナノメートルという不確かさ、2つの校正装置のスループットと測定範囲の差、測長SEMへの搭載時期と台数
- 産業技術総合研究所 計量標準総合センター「三次元ナノ構造の寸法・形状計測技術に関する調査研究」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── ゴールデンウェーハ比較で確保できる範囲、絶対寸法計測にAFMが向く理由と探針の限界、走査透過電子顕微鏡との組み合わせ、線幅校正サービスの範囲と拡張不確かさ
- 産業技術総合研究所 計量標準総合センター「計量標準とは」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 計量トレーサビリティの言い方と、認定校正機関を使うことの意味
- 製品評価技術基盤機構 認定センター（IAJapan）「計量法校正事業者登録制度（JCSS）」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── JCSSが計量法トレーサビリティ制度の略称であること、校正事業者登録制度の運営主体