- 반도체 웨이퍼 두께·형상 측정표준시스템 개발
- 불량 웨이퍼를 감소시켜 반도체 수율 향상에 도움

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 직무대행 박상열) 길이센터 강주식, 이재용 박사팀은 길이표준의 최상위 측정법인 ‘레이저 간섭법’¹⁾을 활용하여 웨이퍼 두께 및 형상 측정표준시스템을 개발했다.

1) 레이저 간섭법: 결맞음성이 우수한 단색 또는 광대역 레이저 광원을 이용해 생성한 광 간섭 신호로부터 측정물의 굴절률, 두께, 이송 변위, 형상 등을 정밀하게 측정하는 기술

첨단 전자 기기에 널리 사용되는 반도체 소자는 실리콘 웨이퍼 위에 여러 단계의 정밀 제작 공정을 거쳐 만들어진다. 과거에는 반도체의 집적도를 높이기 위해 웨이퍼 위 소자의 크기와 간격을 줄이기 위한 노력이 주로 이루어졌다. 

이 방법은 제한된 면적의 공간에 많은 집을 짓기 위해 집 사이의 간격을 줄이는 것과 비슷한 원리다. 

하지만 최근에는 반도체 소자의 크기와 간격을 줄이는데 한계를 인식, 소자를 여러 층으로 쌓아올려 반도체의 성능과 집적도를 향상시키는 새로운 공정이 적용되고 있다. 따라서 이제는 웨이퍼의 두께나 형상이 전체 반도체 소자의 불량 여부를 결정하고 성능에도 큰 영향을 주는 요인이 되었으며 이를 측정하는 기술 또한 중요해졌다.

그러나 기존의 웨이퍼 두께 측정 기술은 접촉식²⁾이며 웨이퍼의 전면이 아닌 특정 지점만을 측정하는 1차원적인 방식을 사용하기 때문에 정확한 측정값을 도출하는데 한계가 있었다. 뿐만 아니라 형상(휜 정도) 측정의 경우는 기술 자체가 존재하지 않았다.

2) 접촉식: 측정을 위해 웨이퍼를 잡아주는 장치가 웨이퍼와 접촉되어 있는 방식. 접촉식일 경우 웨이퍼에 힘이 전달되어 정확한 측정이 어렵다.

이번에 개발된 측정시스템은 비접촉식 방법을 사용하며 레이저를 사용하여 웨이퍼 전면을 2차원적으로 스캐닝 함으로써 웨이퍼의 고유 형상 측정이 가능하다. 또한 최대 직경 300 ㎜ 웨이퍼 상에서 약 0.1 μm(마이크로미터)수준의 두께 변화를 감지할 수 있으며 0.7 ㎛ 수준의 형상측정 정확도를 얻을 수 있다. 이는 축구 경기장의 굴곡을 0.2 mm 이하의 정확도로 측정할 수 있는 수준이다.

웨이퍼의 두께 형상 측정표준은 현재 KRISS의 시험서비스 항목으로 등록되어 측정서비스가 제공되고 있으며, 태양광 전지용 웨이퍼나 LED 소자의 사파이어 웨이퍼에 대한 측정도 가능하다.

▲ KRISS 길이센터 이재용 책임연구원이 웨이퍼 두께·형상 측정표준 시스템을 이용하여 반도체 공정 웨이퍼의 두께 분포와 굴곡 형상을 측정하고 있다.

KRISS 길이센터 이재용 박사는 “이번에 개발된 측정시스템을 활용하면 웨이퍼의 정밀한 두께 분포와 굴곡 형상(공정변위) 데이터 제공이 가능하다. 또한 반도체 업체들이 운용하고 있는 웨이퍼 측정 장비들의 측정 정확도를 평가할 수 있는 기준이 될 것”이라고 말했다. 

KRISS 길이센터 강주식 박사는 “향후 이 시스템이 반도체 산업에 적용될 경우 불량 웨이퍼를 감소시켜 수율 향상에 많은 도움이 될 것”이라고 말했다.