KAIST, '비과피' 방식 반도체 웨이퍼 두께 분석장비 개발

근적외선 기반 웨이퍼 비파괴 분석 장비 개념도 및 단층 박막-공동 구조 검사 결과

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 이정철 기계공학과 교수팀이 근적외선 간섭 효과를 이용해 실리콘 박막-공동 구조를 검사할 수 있는 '웨이퍼 비파괴 분석 장비'를 개발했다고 19일 밝혔다.

1마이크로미터(㎛)급 두께를 갖는 박막-공동 구조는 압력센서, 마이크로미러, 송수신기 등 다양한 미세전자기계시스템(MEMS) 소자로 사용된다. MEMS 소자에서 박막 두께와 공동 높이는 소자 성능을 높이는 주요 설계 인자다. 이 때문에 제작 구조 두께 측정이 필수다. 하지만 최근까지도 이후 후속 공정에 쓸 수 없게 됨에도 불구하고 웨이퍼를 절단, 두께를 측정하는 단면 촬영 기법이 사용됐다.

연구팀은 1㎛ 급 두께를 갖는 실리콘 박막-공동 구조 두께를 비파괴 측정하기 위해 근적외선 간섭 현미경을 개발했다. 연구팀은 실리콘 광특성과 빛의 간섭 길이를 고려해 근적외선 계측 장비를 설계·구축했다. 개발 현미경은 1㎛ 이하 단층 박막-공동 구조를 100나노미터(㎚) 미만 편차로 측정했다. 더불어 다중 반사로 인한 가상 경계면을 특정하는 방법을 제안, 복층 실리콘 박막-공동 구조에 숨겨진 실리콘 박막 두께 측정도 성공했다.

이번 연구로 실리콘 박막-공동 구조뿐만 아니라 기능성 웨이퍼인 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼에서도 실리콘과 내부 산화막 두께 측정에도 성공했다. 다양한 반도체 소자 비파괴 검사에 적용 가능하다.

파장 선택을 통해 실리콘뿐만 아니라 게르마늄 등 다른 반도체 물질의 비파괴 검사에도 적용할 수 있다. 반도체 공정 중 소자 결함을 판별하는 실시간 비파괴 검사에 적용될 수 있다.

이정철 교수는 “개발된 기술은 널리 사용되는 적외선 광원을 사용해 비파괴 방식으로 반도체 물질 내부 구조를 측정한 점에서 기존 방법과 다르다”며 “안전하고 정밀하다는 장점 덕분에 반도체 소재 및 소자 검사 속도를 향상하는 효과를 가져와 반도체 관련 산업과 우리 삶 발전에 기여할 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 기초연구실 지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구는 국제학술지 '어드밴스트 엔지니어링 머터리얼즈'에 지난 7월 14일 자 온라인 게재됐으며 지난 10월 호 후면 표지 논문으로 선정됐다.

김영준기자 kyj85@etnews.com