Kimika Instruments プロダクトマネジメント 事業開発ディレクター
David Larson博士インタビューより
米国の「半導体を理解する：研究室から工場までの最新計測技術」というポッドキャストでは、業界の各分野のプロフェッショナルを対象にしたインタビューを掲載している。
今回は、日本のアルギン酸メーカー株式会社キミカでプロダクトマネジメントおよび事業開発のディレクターを務める米国のDavid Larson博士をゲストに、半導体開発分野における原子プローブ技術の実用化について聞いている。この記事ではこのインタビューの要旨をお伝えする。
単なる専門家ではなく原子プローブ技術の実用化に貢献したい
－まずLarson博士の経歴からお願いします。
David Larson：
私はWisconsin大学のMadison校で材料科学の博士号を取得しました。現在は米国のWisconsin州に在住しており、Microscopy Society of America（アメリカ顕微鏡学会）およびInternational Field Emission Society（国際電界放出学会）の特別研究員に就任しています。また、米国の科学ジャーナル『Microscopy and Microanalysis』誌の編集者を務め、かつては国際電界放出学会の会長も務めました。現在はAtom Probe Tomography（APT：原子プローブトモグラフィー）の専門家として活動しています。私は自分を単なる専門家ではなく、半導体開発分野における原子プローブ技術の実用化に貢献する一人と位置付けています。
ナノスケール材料の原子組成・分布を3Dで視覚化
―では、APT とは何か？そして、特に半導体分野においてどのような役割をする技術なのか説明していただけないでしょうか。
David Larson：
APTは、材料の微細構造を原子レベルで可視化する技術です。ただし、現状では他の分析技術と比べると、まだそれほど広く知られているわけではありません。その基本原理を説明しましょう。まず、電子顕微鏡で使用される「フィールドエミッションチップ」のような針状の試料を作成します。次に高電場を印加し、原子を蒸発させます。高い正電場を試料に印加し、表面の原子をイオン化して蒸発させます。そして、検出システムでX・Y方向の座標、質量対電荷比（m/z）といったデータを取得するのです。そしてこれらのデータから3Dデータを構築するのです。
この技術を用いると、半導体デバイスのGAA（ゲートオールアラウンド構造）やナノスケール材料の原子組成・分布を3Dで視覚化することが可能になります。これは、特に微細な半導体構造の特性評価において画期的な技術だと自信を持っています。
1990年代以降技術革新がさらに加速
―どのような経緯で生まれた技術なのでしょうか？
David Larson：
この技術を開発したのは、米国のPennsylvania州立大学のErwin Wilhelm Müller（アーウィン・ミュラー）教授と、彼の研究室にいた大学院生であるJohn Pants氏です。その後、1970〜80年代には技術の発展が進み、1980年にSandia国立研究所（Sandia National Laboratories）の研究者がレーザーをAPTに組み込む実験を行いました。しかし当時のレーザー技術は未熟であり、すぐには実用化にはいたりませんでした。しかし、1990年代以降、技術革新がさらに加速し、3D原子プローブの登場、FIB（集束イオンビーム）を用いた試料作成技術による精度の向上などに成功し、2005年頃にはフランスのGPM研究所とImago社が、それぞれ独立に高精度レーザーをAPTに適用し、大幅な性能向上を実現しています。
特に「ドーピング解析」や「界面分析」で活躍
―では現在、半導体分野のどのように応用されているのでしょうか。
David Larson：
APTは現在、半導体分野で特に「ドーピング解析」や「界面分析」に活用されています。例を挙げると、ボロン（B）分布の解析があります。TEM（透過電子顕微鏡）ではボロンの検出が困難ですが、APTなら可能になるのです。また、半導体デバイスの酸化層や界面不純物の局所分析には非常に有効と言えます。
もちろんAPTは現在もさらなる進化を目指して研究開発が進行中で、特にデータ収集の自動化、検出精度の向上、低温試料調製技術（Cryo‑APT）の発展が今後の重要な課題となっています。
10年後には「標準化」か
David Larson 博士は「5年後には、APTの空間分解能と再構築精度が大幅に向上する可能性がある」と予測している。さらには「10年後には、半導体産業でのAPTの活用が「標準化」される可能性もある」と。
現在のTEMのように、APTも「製造工程支援ツール」として統合される未来が見えてきたようだ。今後の動向に期待したい。