軽元素を含むCMOSイメージセンサー内部を非破壊で3次元可視化

―NanoTerasuの高輝度テンダーX線が拓くナノ構造解析の新展開―

2025年11月 4日 14:00

研究者情報

〇国際放射光イノベーション・スマート研究センター（多元物質科学研究兼務）　教授　高橋幸生
研究室ウェブサイト

発表のポイント

CMOSイメージセンサーの画素構造を、世界で初めて非破壊で三次元観察することに成功しました。
NanoTerasu^（注１）の高輝度テンダーX線^（注２）により、軽元素材料の分布や電子密度を約30nmの空間分解能で可視化しました。
次世代半導体デバイスの設計・解析を支える新たな可視化手法として期待されます。

発表概要

CMOSイメージセンサー（CIS）は、スマートフォンやカメラ、自動運転技術、医療機器などに広く利用されている光電子変換デバイスです。その性能向上には微細な画素構造の解析が不可欠です。しかし、CIS内部にはシリコン（Si）やシリコン酸化物（SiO₂）などの軽元素で構成された複雑な多層構造が存在し、従来の電子線を用いた手法では非破壊かつ高解像な三次元観察が困難でした。
東北大学 大学院工学研究科の大川成大学院生、佐々木雄平大学院生、国際放射光イノベーション・スマート研究センターの石黒志准教授、高橋幸生教授らの研究チームは、3GeV高輝度放射光施設「NanoTerasu」のビームラインBL10Uで得られる高輝度テンダーX線を利用し、X線タイコグラフィ^（注３）と計算機断層撮影^（注４）を組み合わせることで、市販のCISの内部三次元構造を約30 ナノメートル（nm、1 nmは10億分の1 m）の分解能で非破壊観察・定量評価することに成功しました。
本手法は、画素内部の微小構造や高密度材料領域の識別、電子密度の定量評価などにおいて優れた性能を発揮し、今後の半導体デバイスの開発における有力な非破壊解析ツールとしての活用が期待されます。
本研究成果は、米国物理学協会誌「Applied Physics Letters」に、11月3日付けでオンライン掲載され、注目論文（Featured Articles）に選出されました。



図1. X線タイコグラフィ-CT測定の模式図と試料の走査型電子顕微鏡像
(a)NanoTerasuの高輝度テンダーX線を集光鏡で集光し、試料に照射する。試料からの散乱X線を画像検出器で測定する。
(b)試料として用いた市販CISの走査型電子顕微鏡像。黄色で囲った領域がX線タイコグラフィ-CTで観察した領域。

用語解説

注1. NanoTerasu：
宮城県仙台市 東北大学青葉山新キャンパス内にて整備が進められ、2024年4月に稼働を開始した中型放射光施設。国の主体機関である国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（QST）と一般財団法人光科学イノベーションセンター（PhoSIC）を代表機関とする宮城県、仙台市、国立大学法人東北大学、一般社団法人東北経済連合会からなる地域パートナーで構成され、費用負担も含めた役割分担の元で整備が進められている。
注2. テンダーX線：
軟X線（Soft X-ray）と硬X線（Hard X-ray）の中間に位置する波長域（おおよそエネルギーで2～5 keV程度）のX線を指す。
注3. X線タイコグラフィ：
コヒーレントX線回折イメージングの手法のうちの一つ。試料にコヒーレントX線を照射する際、試料面上でX線照射領域が一部重複するように試料を二次元走査し、各走査点において回折強度パターンを取得する。得られた複数の回折強度パターンに対して位相回復計算を実行することで、一枚の試料像を取得する。
注4. 計算機断層撮影：
試料をさまざまな角度から透過して得られた投影画像を、計算機によって再構成することで三次元構造を可視化する手法。試料内部の密度分布や構造情報を非破壊的に取得できる。

論文情報

タイトル：Three-dimensional Imaging of CMOS Image Sensor Pixel Structures Using Ptychographic X-ray Computed Tomography in the Tender X-ray Regime
著者：Naru Okawa*, Nozomu Ishiguro, Yuhei Sasaki, Masaki Abe, Shuntaro Takazawa, Mihiro Ikenaga, and Yukio Takahashi*
*責任著者：東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センター
大学院生　大川成、教授　高橋幸生
掲載誌：Applied Physics Letters
DOI：10.1063/5.0297526

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センター
教授　高橋幸生
TEL: 022-217-5166
Email: ytakahashi*tohoku.jp（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所　広報情報室
TEL: 022-217-5198
Email: press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）






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