이 짧은 메모는 실리콘 웨이퍼 검사에 사용되는 반도체 계측 방법론을 요약한 것입니다.

반도체 계측학은 ASIC 생산에 사용되는 웨이퍼를 정밀하게 측정하고 분석하는 분야입니다. 목표는 소자 제조 과정에서 원자 수준의 트랜지스터 배치 품질과 성능을 보장하는 것입니다. 제조 공정에서 피코미터 단위의 오차라도 발생하면 수율에 영향을 미치기 때문입니다.

계측 기술 Link to heading

다음은 품질 측정에 사용되는 몇 가지 기술과 도구, 그리고 그 과정에서 각각의 역할에 대한 개요입니다.

광학 현미경 (~2D) Link to heading

기존의 광학 현미경(생물학 분야에 사용됨)은 위상 변화를 감지하기 위해 빛이 시료를 직접 통과해야 합니다. 그러나 실리콘 웨이퍼는 완전히 불투명하고 반사율이 매우 높습니다. 빛이 실리콘 웨이퍼를 통과할 수 없기 때문에 이러한 표준 시스템은 사용할 수 없습니다.

대신 웨이퍼 검사는 반사광을 사용하며, 명시야, 암시야, DIC(미분 간섭 대비) 등 몇 가지 변형이 있습니다. 명시야 검사는 빛이 웨이퍼에 똑바로 아래에서 비추어지고 다시 위로 반사되는 방식을 사용하는 반면, 암시야 검사는 빛이 웨이퍼에 가파른 비스듬한 각도로 입사되도록 하여 입자 오염, 미세한 흠집, 미세 결함과 같은 돌출된 결함을 감지할 수 있습니다.

웨이퍼 관찰에 가장 흥미로운 것은 차동 간섭 대비 현미경(Differential Interference Contrast, DICC)입니다. 이 현미경은 편광된 빛과 특수 제작된 울라스톤 프리즘을 사용하여 빛을 두 갈래로 나누고, 표면에서 반사시킨 후 다시 합쳐줍니다. 웨이퍼를 3D처럼 관찰할 수 있게 해줌으로써 미세한 높이 차이와 표면 질감을 드러낼 수 있습니다. (이미지 출처: Nikon Microscopy)

주사전자현미경(SEM) Link to heading

주사전자현미경(SEM)은 광학현미경보다 훨씬 작은 특징(해상도 100배 이상)을 관찰할 수 있기 때문에 반도체 제조에 가장 널리 사용되는 장비 중 하나입니다. SEM은 빛 대신 집중된 전자빔을 사용하여 웨이퍼 표면을 스캔함으로써 표면의 지형과 구성을 고해상도의 3차원 이미지에 가깝게 구현합니다.

광학 현미경이 “한 번에 사진"을 찍을 수 있는 것과 달리, SEM은 매우 미세한 전자빔으로 웨이퍼 표면을 점 단위로 “스캔"한 후 이미지를 재구성해야 합니다. 각 픽셀의 밝기는 웨이퍼의 해당 위치에서 검출된 전자 수에 따라 달라집니다. 이 스캐닝 과정에는 기계적인 부품이 아닌, 전자빔을 단 몇 나노미터 폭의 점으로 집중시키는 자기장을 생성하는 자기 코일이 사용됩니다(이는 구식의 부피가 큰 CRT 텔레비전과 다소 유사합니다).

원자력 현미경(AFM) Link to heading

원자력 현미경(AFM)은 주사 전자 현미경(SEM)과 근본적으로 다릅니다. 전자를 사용하는 대신, 유연한 캔틸레버에 달린 초미세 팁을 사용하여 표면의 지형을 원자 규모에서 “느끼고” 매핑합니다. 마치 시각 장애인이 점자를 읽는 것과 같습니다. AFM은 표면 지형을 측정합니다.

SEM과 마찬가지로 AFM은 표면을 점 단위로 스캔합니다. 하지만 방출되는 전자를 기록하는 대신, AFM은 팁 높이, 캔틸레버 편향, 상호 작용력 등 여러 매개변수를 측정하여 진정한 3D 표면 지도를 생성합니다.

캔틸레버는 여러 가지 모드로 관측 대상과 상호 작용할 수 있습니다. 접촉 모드에서는 팁이 웨이퍼와 지속적으로 접촉한 상태를 유지합니다. 탭핑 모드에서는 캔틸레버가 공진 주파수 근처에서 진동하며, 표면과의 짧은 접촉을 통해 진동 진폭이 변화합니다. 또한 인력을 측정 원리로 사용하는 비접촉 모드도 있지만, 이 모드는 신호 대 잡음비가 낮아지는 경향이 있습니다.

X선 회절(XRD) Link to heading

X선 회절(XRD)은 기존 장비와는 매우 다릅니다. 기존 장비는 주로 웨이퍼 표면을 검사하는 반면, XRD는 재료 내부의 결정(또는 원자) 구조를 분석합니다.

X선 회절(XRD)은 실리콘 웨이퍼의 결정 방향, 격자 간격, 변형률 및 결정 품질을 비파괴적으로 측정하는 데 가장 중요한 도구 중 하나입니다. 표면 현미경으로 웨이퍼가 완벽해 보이더라도 XRD로 감지되는 미세한 결정 격자 변화가 트랜지스터 성능과 제조 수율에 상당한 영향을 미칠 수 있기 때문에 XRD는 필수적입니다.

요약 Link to heading

방법	개수	해상도	속도	비용	일반적인 사용 사례
광학식	~2D	~0.2µm	매우 빠름	낮은	일상적인 웨이퍼 검사
주사전자현미경(SEM)	약 2차원	1~10nm	저속	고속	상세한 결함 분석
AFM	3D	<1 nm (수직)	매우 느림	높음	표면 거칠기 측정
X선	3D	다양함	보통	높음	내부 구조 검사

원자력 현미경(AFM) 주요 개념

이 메모의 두 번째 부분은 TNO에서 분사하여 현재 유럽 반도체 생태계의 한 축을 이루고 있는 NearField Instrument에 관한 것입니다. 이 회사의 최신 제품인 QUADRA는 원자력 현미경 시스템입니다.

시스템 개요 Link to heading

아래 다이어그램은 QUADRA 시스템을 단순하고 개략적으로 나타낸 것입니다.

근거리 계측기 QUADRA

주목할 만한 몇 가지 사항이 있습니다.

열 제어: AFM은 프로브 주변의 온도 변화에 매우 민감합니다. 따라서 팁 동작 제어 시스템에서 발생하는 열이 적을수록 좋습니다.
스캔 라인 방식 vs 스티칭 방식: 최신 시스템은 기존의 타일 측정값을 스티칭하는 방식에서 전체 스캔 라인 방식 및 끊김 없는 웨이퍼 측정 방식으로 발전했습니다.
미세 조정: 시스템에 지속적인 미세 조정이 필요하더라도, 핵심은 매우 신뢰할 수 있고 재현 가능한 데이터를 생성하여 학습을 예측 가능하게 만드는 것입니다.
성능(지연 시간): 처리해야 할 데이터 양이 엄청나게 많기 때문에, 지연 시간으로 측정되는 데이터 전송 성능은 최적의 작동에 필수적입니다.
데이터 분석 및 심층 분석: QUADRA는 방대한 양의 데이터를 생성하므로, 시스템은 KPI를 중심으로 운영되어야 합니다. 사용자는 각 KPI에 대해 특정 측정 데이터를 자세히 분석할 수 있어야 합니다.

메카트로닉스 고수준 개요 Link to heading

QUADRA 메카트로닉 설계는 소형화된 AFM(MAFM) 프로브를 기반으로 합니다. 각 QUADRA 시스템에는 4개의 MAFM이 있으며, 각 MAFM에는 웨이퍼의 다양한 위치에 접근할 수 있도록 자체적인 위치 지정 장치(PU) 암이 있습니다.

AFM의 정확도를 높이려면 기계적 노이즈를 줄이는 것이 매우 중요합니다. 이를 위해 QUADRA는 웨이퍼를 척에 진공 클램핑하고 팁이 웨이퍼 표면 아래쪽에서 접근하는 역구조를 사용합니다(아래 그림 참조). 이 구조를 통해 기계적 루프를 단축하고 여기 지점을 제거하여 기계적 공진으로 인한 노이즈를 줄일 수 있습니다.

전환 가능한 운동학적 연결 Link to heading

길이 단축은 MFAM의 운동학적 연결을 PU에서 그리드 플레이트로 변경함으로써 달성됩니다. 그리드 플레이트는 AFM에 매우 안정적인 근거리 기준면 역할을 합니다. AFM 측정 헤드가 그리드 플레이트에 고정되면 캔틸레버의 위치는 더 큰 기계 구조물이 아닌 이 근거리 기준면을 기준으로 정의됩니다.これにより 기계적 오차가 줄어들고 측정 정확도가 향상됩니다.

(이미지 출처: 2024 NFI 브로셔 )

조명 모드 Link to heading

앞서 설명했듯이 일반적인 AFM 장비는 태핑 모드를 사용합니다. QUADRA는 최대 1MPix/s(초당 메가픽셀)의 고속 스캔이 가능한 혁신적인 라이트닝 모드를 개발했습니다. 이 모드는 세 가지 핵심 요소에 기반합니다. 첫째, Z-스캐너의 메카트로닉 대역폭을 최대한 활용하여 지형을 추적하는 고급 Z-스캐너 제어 알고리즘입니다. 둘째, 센서 역할을 하는 캔틸레버가 지형 변화에 신속하게 반응할 수 있도록 하는 빠른 반응 속도의 캔틸레버 능동 제어(피드백 루프)입니다. 마지막으로, MAFM에서 얻은 여러 신호를 결합하여 지형 이미지를 재구성하는 스마트 데이터 융합 알고리즘입니다.

더 자세한 정보는 NFI QUADRA 심층 분석 보고서(paper)를 참조하십시오.

반도체 검증: 칩렛 기반 SoC Link to heading

Positron Asimov ASIC 이처럼 강력한 QUADRA 시스템을 사용하면 특히 Positron의 Asimov 칩렛 기반 SoC를 검증할 수 있습니다.

확인해야 할 항목은 다음과 같습니다.

패키징 접합: 칩렛은 초미세 피치(5~50µm 마이크로 범프 또는 서브마이크론 직접 구리-유전체 접합)를 사용합니다. AFM을 사용하여 표면의 피코미터 규모 지형도를 측정할 수 있습니다.

모듈형 칩렛 시스템 아키텍처

전기 나노프로빙: 칩렛이 2.5D 또는 3D 구조로 밀집되어 있기 때문에 기존의 테스트 프로브로는 내부 상호 연결부에 물리적으로 접근할 수 없습니다. 전도성 원자 현미경(C-AFM): C-AFM은 매우 날카로운 전도성 팁에 전류를 흘려 국부적인 전기적 변화를 매핑합니다(*참고: QUADRA에서 C-AFM을 지원하는지는 확실하지 않습니다).
도핑 프로파일링: 칩렛 SoC의 핵심 이점 중 하나는 다양한 공정 노드를 혼합하여 사용할 수 있다는 점입니다(예: 3nm 로직 칩렛과 기존 14nm I/O 칩렛의 조합). 주사 정전 용량 현미경(SCM)이 장착된 AFM 시스템은 서로 다른 반도체 재료에 걸쳐 활성 캐리어 농도와 도핑 프로파일을 매핑합니다. 이를 통해 패키징으로 인한 열 사이클 후에도 공정 노드가 목표 전기적 특성을 충족하는지 확인할 수 있습니다.
계면 응력: 열팽창 계수(CTE)가 다른 재료를 통합하면 뒤틀림, 박리 또는 열기계적 응력이 발생할 수 있습니다. AFM은 칩렛, 인터포저 및 실리콘 브리지의 계면에서 탄성, 경도 및 접착력을 측정합니다.
열 특성 분석: 마이크로 열전대가 내장된 AFM 팁(주사 열 현미경, 또는 SThM이라고도 함)은 미세 규모의 열 경계를 매핑하고 핫스팟 방출 경로를 추적하여 SoC의 복잡한 레이아웃이 파괴적인 국부적 과열로 이어지지 않도록 합니다.

더 흥미로운 질문은 QUADRA를 사용하여 Quantware VIO-40K의 3D 아키텍처의 고급 패키징 및 하이브리드 본딩을 어떻게 보장할 수 있는지입니다. 이 부분은 나중에 다시 다루도록 하겠습니다.

Quantware VIO3D 40K 3D 아키텍처