펨토초 레이저의 표면상 삼차조화파 생성 특성을 활용한 실리콘 웨이퍼의 측정 및 접합 계면의 결함검사

Abstract

반도체 산업에서 기술 진보와 칩 집적도 향상은 중요한 화두이다. 기존의 산업 트렌드는 회로 선폭의 미세화를 통해 같은 면적 내에서의 성능 향상, 저전력 소자를 구현해 왔다. 하지만 단채널 효과로 인한 수율 저하와 스케일링의 한계로 인해, 셀이나 칩을 수직 방향으로 연결해 성능 향상을 도모하는 3차원 구조 (3D) 로의 변환이 전공정 및 후공정에서 이루어지고 있다. 하지만, 이로 인해 공정 복잡도가 향상하면서 칩 내부의 두께 방향의 결함 검출이 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 본 연구에서는 비선형 광학 현상인 3차 조화파를 활용해 쌓은 칩의 두께 측정과 계면 결함 검사를 위한 두께 분해형 투과 광학 시스템을 설계하였다. 3차 조화파는 광학 매질의 불연속 지점에 펨토초 레이저와 같이 높은 첨두 출력을 가지는 광원을 조사하게 되면 발생하는 현상이다. 근적외선 대역의 광원을 사용하여 실리콘 웨이퍼 내부로 투과해 들어가는 시스템을 설계하고, 수직 스캐닝을 통해 실리콘 웨이퍼의 두께를 약 100 nm 이내의 오차 및 9 nm 수준의 반복능으로 계측하였다. 계측 과정에서 투과형 시스템의 수차 보정을 위해 환형 빔 (annular beam)을 사용하였다. 결함 검사를 위한 실험으로는 웨이퍼 간 계면에 결함을 모사해 해당 지점에서의 삼차 조화파 현상으로 인한 광량 변화를 확인하였다. 그 결과, 두 웨이퍼 간 접합면에서 약 1 μm 수준의 공극도 삼차 조화파를 이용해 정밀하게 검사할 수 있음을 실험적으로 확인했다. 또한, 이차 조화파를 추가적으로 활용해 공극의 크기를 측정하는 방식을 제시하였다. 해당 결과를 바탕으로, 추후 3D 구조 반도체 계측에서 요구되는 고정밀 및 두께 분해형 광학 기술에 3차 조화파가 활용될 수 있을 것으로 기대된다.