KRISS, 반도체 웨이퍼 두께·형상 측정표준시스템 개발

웨이퍼의 두께와 휜 모양을 가장 정확히 측정하다

한국표준과학연구원(KRISS) 길이센터 강주식, 이재용 박사팀이 길이표준의 최상위 측정법인 레이저 간섭법을 활용하여 웨이퍼의 두께 및 형상(휜 정도)을 가장 정확하게 측정할 수 있는 기술을 개발했다고 발표했다.

웨이퍼 측정의 중요성
웨이퍼(wafer)란 반도체의 토대가 되는 실리콘 재질의 얇은 판으로 위에는 미세소자 회로가 만들어지며 공정 정밀도를 위해서는 웨이퍼의 두께가 균일하면서 표면이 평탄할수록 좋다. 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.
하지만 최근에는 반도체 소자의 크기와 간격을 줄이는데 한계를 인식하여, 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.

기존의 방식과 레이저 간섭법
기존의 웨이퍼 두께 측정 기술은 측정을 위해 웨이퍼를 잡아주는 장치가 웨이퍼와 접촉되어 있는 접촉식이었다. 이는 웨이퍼에 힘이 전달되기 때문에 정확한 측정이 어려웠으며 웨이퍼의 전면이 아닌 특정 지점만을 측정하는 1차원적인 방식을 사용하기 때문에 정확한 측정값을 도출하는데 한계가 있었다. 뿐만 아니라 형상(휜 정도) 측정의 경우는 측정기술 자체가 존재하지 않았다.
이번에 개발된 측정시스템은 비접촉식 방법을 사용하며 레이저를 사용하여 웨이퍼 전면을 2차원적으로 스캐닝 함으로써 웨이퍼의 고유 형상 측정이 가능한데 바로 레이저 간섭법을 활용했다. 레이저 간섭법은 결맞음성이 우수한 단색 또는 광대역 레이저 광원을 이용해 생성한 광 간섭 신호로부터 측정물의 굴절률, 두께, 이송 변위, 형상 등을 정밀하게 측정하는 기술이다.
이 방법은 제한된 면적의 공간에 많은 집을 짓기 위해 집 사이의 간격을 줄이는 것과 비슷한 원리다. 또한 최대 직경 300㎜ 웨이퍼 상에서 약 0.1㎛수준의 두께 변화를 감지할 수 있으며 0.7㎛ 수준의 형상측정 정확도를 얻을 수 있다. 이는 축구 경기장의 굴곡을 0.2㎜ 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 박사는 “이번에 개발된 측정시스템을 활용하면 웨이퍼의 정밀한 두께 분포와 굴곡 형상(공정변위) 데이터 제공이 가능하다. 또한 각 반도체 업체들이 운용하고 있는 웨이퍼 측정 장비들의 측정 정확도를 평가할 수 있는 기준이 될 것이다.”라고 말했다.
KRISS 길이센터 강주식 박사는 “향후 이 시스템이 반도체 산업에 적용될 경우 불량 웨이퍼를 감소시켜 수율 향상에 많은 도움이 될 것으로 기대된다.”라고 말했다.

자료제공 | 한국표준과학연구원(www.kriss.re.kr)