반도체 공정 - MI(Measurement & Inspection)

MI (Measurement & Inspection)

#시작하며

반도체 제조공정이라고 하면, 8대 공정의 Photo, Etch, Diffusion, Thin Film과 같은 원재료를 통해 제품을 생산하는 공정을 떠올릴 수 있다. 하지만 해당 공정 이외에도, 제품을 만드는 것만큼 Defect를 검사하는 공정 역시 중요하다. 결함을 줄여 수율을 높이는 것은 수익과 직결되기 때문에, 불량을 최소화하고, 수율을 향상시키는 MI, 계측 및 검사 공정 과정의 중요성이 커지고 있다.

 

 

#MI (Measurement & Inspection)

현재 한국이 세계 시장을 지배하고 있는 메모리 반도체, 그 중에서도 압도적인 점유율을 자랑하는 D램은 미세공정 기술의 발전이 가속화되면서 난관을 겪고있다. 생산 과정에서 결함(Defect)를 발견하는 것이 점점 더 어려워지고, 이에따라 생산속도가 느려져, 수율 확보가 힘들어지게 되는 것이다. 수율은 생산성으로 직결되어 경쟁력을 좌우하기 때문에 매우 중요한 문제이다. 따라서 계속해서 MI(Measurement & Inspection)로 알려진 반도체 계측 기술의 중요성이 대두되고 있다. 반도체 핵심 공정 중 하나로 꼽히는 계측은, 생산 중인 반도체 소자의 물리적, 전기적 특성 목표가 제조 순서의 각 단계에서 제대로 충족되었는지 확인하는 공정을 말한다. 즉, 생산될 제품의 성능을 저해하거나 불량품이 될 상태를 미리 찾아내는 과정이다.

반도체 계측 장비 (출처. KLA텐코)

실제 반도체 계측 검사 시행 과정에서는, 광학, 소재, 시뮬레이션, 이미지 프로세싱, 로봇 컨트롤, 통계학, 시스템공학 등 방대한 분야의 첨단 기술이 총동원된다. 최대 규모의 반도체 회사들이 해당 분야에 많은 돈을 투자하고 있다.

 

현재 대기업에서는, 광학을 이용한 반도체 계측 및 검사 기술을 활용하고 있다. 빛은 파동의 성질을 가지는데, 해당 특성 때문에 빛의 회절이 일어나게 된다. 회절은 빛이 나아가는 도중에 틈이나 장애물을 만나면, 빛의 일부분이 슬릿이나 장애물 뒤편까지 돌아 들어가는 현상으로 파동의 특징이다. 반도체 계측은 이러한 빛의 회절을 활용하여 박막, 오버레이 및 웨이퍼 응력, 두께, 전도도, 성분 등의 계측을 수행한다. 여기에서 나온 데이터를 바탕으로 공정을 제어하고, 이슈가 발생할 경우 이를 해결하는 공정을 최적화하여 반도체 제품을 완성하는 것이다.

 

 

• CD SEM - 박막의 형태를 측정 분석하는 장비

반도체 장비 제조가 단계 수의 증가와 함께 점점 더 복잡해짐에 따라 웨이퍼 검사 및 계량의 중요성도 높아지고 있다. SEM은, 주사전자현미경으로서, Scanning Electrone Microscope의 약자이다. 이는 sample의 표면을 전자 빔을 통해 스캔하여 이미지화 시키는 전자현미경의 일종이다. 고속의 전자를 발사하면 해당 전자가 시료 표면에 충돌하면서 상호작용하여 시료에서 전자와 같은 물질이 튀어나오게 되고, 이를 분석하는 방법이다.

해당 현미경은, 빛 대신 전자선을 사용하였고, 광학 현미경은 유리렌즈를 사용하는 것에 비해, 전자선은 유리를 통과하지 못하기 때문에 전자 렌즈를 사용한다. CD SEM은 재료의 피수 분석 뿐만아니라, nm(나노미터) 단위의 범위에서 치수를 측정하는데 사용된다. 일반적으로 저진공에서 작동하며, 진동 수준이 낮아야 하기 때문에 일반적으로 자기 부상식 터보 펌프 기술을 사용한다.

 

 

• Surface Profiler - 박막의 두께 측정

출처. 한국기술교육대학원

Surface Profiler는, 웨이퍼 표면 위의 단차가 있는 박막의 두께 및 Step profile을 측정하기 위해 개발된 장비로서, 탐침(stylus)이 웨이퍼의 표면을 스캔하고 지나감으로써 표면 단자의 변화로 인해 발생하는 압력을 감지하여 해당 단차의 두께를 측정하는 장비이다.

Surface Profiler의 Operation Spec (출처. 한국기술교육대학원)

* 장비 사용방법

1. Lever를 조작하여 Stage를 몸쪽으로 움직인 후 Sample을 Load

2. Stage의 X, Y축을 조절하여 측정하려는 Point로 이동

3. Stylus를 내린 후 Monitor를 보며 Scan하고자 하는 부분을 정확히 조절 (Stylus를 내린 후 Sample과는 접촉 금지)

4. View/modify에서 Vertical units 및 Scan length, Scan speed, Sampling rate 등의 Recipe를 맞춰준다.

5. Start key를 눌러 측정한다.

 

#마치며

오늘은 반도체 공정 과정에서, 계측 및 검사를 진행하는 MI공정에 대해 공부하였다. 다음 포스팅에서는 반도체 TEST 공정에 대해 알아볼 것이다.