반도체라는 작은 세계를 여행하는 히치하이커를 위한 안내서
- 반도체 계측을 위한 자동화된 보조 포인트 추출 시 고려사항

들어가는 말

반도체는 현재의 산업 영역에서 가장 작은 단위를 다루는 영역 중 하나입니다. 예를 들면 동전만 한 면적에 지구상의 모든 길(공원을 가로지르는 샛길을 포함한)을 표현한 지도를 만들 수 있을 정도로 미세한 기술을 다룹니다. 반도체 계측이란 이렇게 만들어진 동전 지도가 실제 길과 같은지 직접 눈으로 확인하는 과정입니다. 동전 지도가 정확하게 만들어졌는지를 확인할 수 있고 역으로 동전 지도를 잘 만들기 위한 최적의 방법을 분석하는 데 활용할 수도 있습니다.

본 아티클에서는 반도체 전자 현미경을 이용한 측정 시 문제점과 이를 해결하는 방법으로 보조 포인트 추출 시 유의 사항에 관해서 설명합니다.

반도체 제작 과정의 이해

반도체 계측을 이해하기 전에 우선 반도체를 만드는 방법과 얼마나 미세한 영역을 다루는지에 대해 알아보겠습니다.

반도체 제작 과정을 한마디로 요약하면 초정밀 스텐실 작업이라고 할 수 있습니다. 스텐실이란 미리 제작해 놓은 도안 마스크에 잉크를 뿌려 마스크의 뚫린 부분만 잉크가 칠해지는 기법으로 우리 주위에서 흔히 볼 수 있습니다. 예를 들면 바리스타가 커피 거품 위에 시나몬 가루로 도안을 프린팅할 때 활용하는 기법이 바로 스텐실입니다. 스텐실의 장점은 방법의 단순함과 재사용성인데 이런 단순함이 가장 빛나는 곳이 바로 반도체일 것으로 생각됩니다.

반도체에서는 잉크 대신 짧은 파장의 빛을 사용하여 마스크의 뚫린 부분의 물성을 변화시켜 패턴을 만드는 방법으로 스텐실 기법을 활용합니다. 현재 이런 스텐실 기술로 양산 가능한 반도체 패턴 폭의 크기는 몇 nm 단위인데 이는 단지 원자 몇십 개가 늘어선 정도로 얇습니다.

전자 현미경을 이용한 반도체 계측

눈으로 보이지 않는 나노 단위의 패턴을 검증하는 가장 직관적인 방법은 검증이 필요한 영역을 사진으로 촬영해 확인하는 것입니다. 이를 위해 사용하는 장비가 '반도체용 전자 현미경'입니다. 반도체용 전자 현미경은 가시광선 대신 파장이 짧은 전자를 이용한다는 점을 제외하고는 사진기와 원리가 같습니다. 사진기로 사진을 찍는 과정은 아래와 같이 요약할 수 있습니다.

1. 사진기의 뷰파인더 중앙에 목표물을 위치시킵니다. (위치 보정)
2. 목표물이 잘 나올 수 있도록 초점을 잡습니다. (초점 보정)
3. 버튼을 눌러 사진을 촬영합니다.

반도체용 전자 현미경도 위와 동일한 과정으로 반도체의 사진을 찍고 이를 분석하여 계측합니다.

전자 현미경을 이용한 촬영 시 고려사항

확대·축소가 자유로운 태블릿 지도에서 검색 없이 목적지를 찾아가는 방법을 생각해 보겠습니다. 우선 화면에서 알아볼 수 있는 특징을 찾고 그곳으로부터 목적지의 상대 위치를 가늠하여 이동 및 확대를 합니다. 이러한 작업을 목적지가 나타날 때까지 반복하여 목적지를 찾을 수 있게 됩니다.

이런 불편한 작업을 반복하는 이유는 배율에 따라 조작 가능한 정확도가 정해지기 때문입니다. 미세한 곳을 촬영해야 하는 반도체용 전자 현미경도 점진적으로 확대·보정해가며 나노 단위 정확도를 얻게 됩니다. 낮은 배율로 지정된 기준 영역을 촬영하여 오차를 보정하고 더 높은 배율의 기준 영역을 촬영해 오차를 재보정하는 식으로 정확도를 높이는 것입니다.

여기서 한가지 문제점이 발생합니다. 정확도가 높아질수록 파장이 짧은 전자를 사용하여 사진을 찍게 되는데 파장이 짧은 전자빔에 여러 번 노출된 반도체는 손상을 입습니다. 따라서 반도체 손상을 최소화하며 측정 위치의 선명한 사진을 얻는 것이 전자 현미경 측정 기술의 핵심이라 할 수 있습니다.

측정을 위한 보조 포인트 자동 추출 시 고려사항

측정 시 반도체 손상을 최소화하기 위해 반도체와 동일한 모양인 반도체 설계 도면을 이용할 수 있습니다. 반도체 설계 도면을 활용해서 측정 좌표 주변에 오차 보정을 위한 기준점이 될 보조 포인트를 미리 지정해 놓으면 최적화된 보조 포인트를 따라 반도체 손상 없이 나노 단위 정확도를 얻을 수 있게 됩니다.

이러한 보조 포인트들은 좌표와 배율로 기술되며 도면상 촬영 영역을 나타냅니다. 대표적인 보조 포인트로는 위치 보정을 위한 기준점이 되는 Addressing Point(AP)와 자동 초점 보정을 위한 포인트인 Auto Focus Point(AF)가 있습니다. 이 두 포인트를 중심으로 전자 현미경 측정에서 고려해야 할 점은 다음과 같습니다.

1. 측정 위치 및 보조 포인트들과의 거리

전자 현미경에서 나노 단위 정확도의 이동은 전자빔의 휘어짐을 이용해 구현됩니다. 전자빔이 휘어질 수 있는 한계 거리가 존재하므로 이 한계 거리 내로 보조 포인트의 위치를 제한하여야 나노 단위 정확도의 이동이 가능합니다. 이런 나노 단위 이동은 위치 보정을 위한 기준점으로부터 측정 위치까지의 정확한 이동을 위해서도 필요하지만 측정 위치 및 보조 포인트 간의 전자빔 노출을 최소화하기 위해 서로를 떨어뜨리기 위해서도 필요합니다.

2. 패턴의 굵기

스텐실 방법을 사용하여 반도체 패턴을 만들기 때문에 아주 얇은 패턴은 비유하자면 잉크가 안 묻거나 조금만 묻을 수 있습니다. 이런 문제로 인해 가능하면 반도체에 안정적으로 프린트될만한 두께의 패턴을 보조 포인트로 사용하여야 보조 포인트의 역할을 잘 할 수 있습니다.

3. X/Y축 변화량

사진을 찍을 때 밝고 어두움이 명확한 곳에서 Auto Focus가 잘 맞춰집니다. 마찬가지로 반도체 설계 도면에서 밝고 어두움이 명확한 곳, 즉 X/Y축 변화량이 큰 곳을 선택하면 좋은 AF(Auto Focus Point)를 추출할 수 있습니다.

AF는 측정 위치를 명확하게 촬영하기 위해 요구되지만 특정 배율에서 AP(Addressing Point)를 선명하게 촬영하기 위해서도 필요합니다. AP를 촬영하기 전에 AP를 위한 AF를 먼저 촬영해야 하는데 이때는 아직 AP로 인한 배율 보정 작업을 하기 전이므로 오차를 염두에 두어야 합니다. 따라서 AP를 위한 AF의 경우 측정 위치를 위한 AF 와 다르게 오차 범위까지 고려한 영역으로 분석되어야 합니다.

4. 고유성

반도체 도면에서의 AP 영역과 촬영된 반도체의 AP 사진을 비교하여 AP 배율에서의 오차를 보정하게 됩니다. 이렇게 오차를 보정하기 위해서 촬영된 AP의 위치와 도면의 AP를 비교했을 때 매치되는 곳이 딱 한 곳만 존재해야 합니다. 특정 패턴이 특이하게 생겨서 패턴의 특징을 기준으로 AP를 지정할 수도 있으나 특이한 패턴이 존재하지 않는 케이스도 많습니다. 이런 경우 패턴 자체의 특징이 아닌 패턴 간의 거리 변화 등의 영역으로서의 특징을 고려하여 AP를 지정 할 수 있습니다.

자동화된 계측 시스템 그 너머

반도체의 패턴 사이즈는 점점 작아지고 있으며 한 단계 작아질 때마다 패턴을 잘 새기기 위한 새로운 연구가 필요합니다. 첨단 노광 장비를 이용한 작은 패턴에 대한 다양한 연구 경험은 안정적인 첨단 반도체 공급을 가능하게 합니다. 그러나 현재 반도체 시장은 패턴 사이즈를 작게 만들 수 있는 노광 장비의 공급이 제한적인 상황입니다.

반도체 엔지니어들이 필요한 연구를 빠르게 수행할 수 있도록 돕는 효율적인 분석 자동화 시스템은 이런 제한적인 환경에서 빛을 발할 것입니다. 분석 자동화 시스템은 주어진 패턴에 의한 다양한 분석뿐 아니라 같은 조건의 이전 누적 자료를 활용, 적은 데이터로 효율적인 정보를 제공할 것입니다. 또한 이를 이용한 자동화된 반도체 품질 관리 시스템으로 확장도 가능합니다.

현재 반도체 수요는 모바일 디바이스, 데이터센터, 5G 등 IT의 성장에 발맞추어 폭발적으로 커지고 있습니다. 시장의 다양한 요구에 기민하게 대응 가능한 자동화 시스템 기술이야말로 다음 세대 반도체 산업의 경쟁력이 될 것입니다.


References
[1] Automatic Generation of Imaging Sequence for CD-SEM Using Design Data / 12 August 2016 /Electrical Engineering in Japan Volume 99, Issue 9
[2] 2021년 반도체 슈퍼사이클 대해부… 메모리 반도체 수요 폭발 업사이클 전망, 시스템 반도체도 장기 상승 국면 진입 / 2021.02.01 / 매일경제
[3] ASML, 2분기까지 EUV 102대 공급 "EUV 시대 가속화"/ 2021.09.12 / 전자신문


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