광빗 기반 다파장 간섭계를 이용한 반도체 패키징 고단차 형상의 고속 초정밀 측정

Abstract

근래의 초정밀 산업 분야에서 반도체 미세화 공정의 개발 속도가 저하되면서 반도체 패키징의 중요성이 높아지고 있다. 특히 서로 다른 종류의 반도체를 결합하는 이종접합이 사용되고 있고, 연결부를 수행하는 마이크로 범프의 형상측정에 대한 수요가 존재한다. 수백 마이크로미터의 단차를 가지는 마이크로 범프의 단차를 수 나노미터 수준의 정밀도로 절대거리를 측정하기 위해 위상천이 간섭계에 4 개의 파장을 광원으로 사용하는 다파장 간섭계를 접목하였다. 하지만 종래의 다파장 간섭계는 파장의 안정도에 의해 측정 분해능이 제한되어 왔고 형상 복원시간이 오래 걸린다는 단점이 존재하였다. 이에 본 연구에서는 루비듐 원자시계에 안정화된 펨토초 레이저 광빗을 활용하여 다파장 간섭계에 사용되는 서로 다른 파장의 레이저 다이오드를 안정화하여 측정 정밀도를 향상하였다. 또한 간섭계에서 획득한 위상을 바탕으로 형상을 복원하는 방법이었던 합치법을 최적화하여 빠르고 정밀하게 형상을 복원하였다. 빠르게 형상을 복원하기 위해 4 개의 파장 조합으로 이루어지는 등가파장의 길이에 비례하는 경향성을 발견하여 이를 기반으로 참값을 찾는 속도를 최적화하였다. 복원 정밀도의 경우 진동 등의 환경변수에 의해 발생하는 위상 오차들을 각각 허용오차와 비교하던 기존의 방법과 달리 위상오차들의 실횻값을 직접 비교하여 측정 신뢰도를 향상하였다. 안정화된 단색광 레이저와 개선된 알고리즘을 적용한 다파장 간섭계는 분해능이 5 nm 수준까지 향상되고 형상 복원의 신뢰도가 20 % 증가하면서 복원시간은 단일 픽셀당 300 ns 수준으로 빨라지게 된다. 이러한 측정 기술은 반도체 패키징뿐만 아니라 디스플레이 등과 같은 초정밀 산업 분야에서 적용 가능할 것으로 기대된다.