우리 학교 기계공학과 이정철 교수 연구팀이 지난달 19일 근적외선의 간섭 효과를 이용해 웨이퍼를 절단하지 않고 실리콘의 박막-공동 구조를 검사할 수 있는 분석 장비를 개발했다고 밝혔다. 이 장비를 이용하면 다양한 구조의 반도체에서 웨이퍼를 자르지 않고도 두께를 효과적으로 측정하고 검사할 수 있다.

비파괴적인 분석 방법의 필요성

웨이퍼(Wafer)는 반도체 집적회로를 제작하기 위한 사용되는 얇은 기판으로, 실리콘이 주재료이다. 개중에서도 실리콘 웨이퍼 내부의 얇은 박막층과 공동 구조로 이루어진 박막-공동 구조는 마이크로미러, 진공/압력 센서, RF 송수신기 등과 같은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 소자로 다양하게 활용되고 있다. 이때 MEMS 소자의 성능을 결정하는 주요한 인자는 박막의 두께와 공동의 높이이다. 따라서 반도체 공정에서 실리콘 웨이퍼의 박막-공동 구조를 정밀하게 측정하기 위한 방법은 필수적이다.

그러나 지금까지는 후속 공정에서 웨이퍼를 이용할 수 없게 됨에도 불구하고, 박막-공동 구조의 단면을 확인하기 위해 웨이퍼를 절단한 뒤, 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)을 이용해 두께를 측정하는 단면 촬영 기법으로 두께를 측정해 왔다. 절단 검사의 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 웨이퍼를 파괴하지 않고도 박막-공동 구조의 두께를 측정할 수 있는 근적외선 기반의 측정/분석 장비를 개발하게 되었다.

근적외선을 기반으로한 웨이퍼 비파괴 검사 기술의 원리

연구팀은 자체적으로 개발한 근적외선 기반 간섭 현미경을 이용해 실리콘 박막-공동 구조를 검사했다. 가시광선은 실리콘으로 이루어진 박막을 통과할 수 없지만, 약 1㎛ 파장의 적외선은 실리콘 내부를 투과할 수 있다. 이처럼 근적외선 광선을 웨이퍼에 가하면 웨이퍼 내부 박막과 공동의 경계면에서 반사파가 발생한다. 피에조 포지셔너로 웨이퍼와 광원 사이의 거리를 조절하며 촬영하면 반사파가 특정 위치에서 보강 간섭을 일으키며 상대적으로 큰 신호가 나타나는데, 이때 보강 간섭이 일어나는 위치 사이의 거리(광학적인 거리)를 굴절률로 나눠주면 실제 물리적인 거리를 얻을 수 있다. 이렇게 간섭 신호를 분석해 박막의 두께와 공동의 높이를 알 수 있으며, 단일층만이 아니라 이중층, 다중층에서도 동일한 원리로 박막-공동 구조를 정밀하게 측정할 수 있다.
 

더 나아가 연구팀은 현재 산업계에서 관심을 가지고 있는 특수한 기판에서도 박막의 두께를 측정할 수 있는지 알아보기 위해, 표면 공정을 거친 웨이퍼에 대해서도 박막-공동 구조의 두께를 측정했다. 또한, 실리콘 박막 사이에 산화막이 들어 있는 특수한 웨이퍼(Silicon-on-insulator; SOI 웨이퍼)에서도 소자층과 산화막의 두께를 성공적으로 측정해내기도 했다. 이 교수는 표면 평탄화 공정을 거친 웨이퍼에서 두께 측정이 용이할 것이라고 예상했지만, 실제로는 평탄화 공정을 거치지 않았을 때 측정이 더 잘 되어 놀랐던 경험이 있다며, “연구자들이 예측과 다른 결과가 나올 수 있음에 항상 유의하면 좋겠다”고 덧붙였다.

연구의 응용 가능성

실리콘 박막-공동 구조는 절연성이 좋고, 웨이퍼 내부의 공간을 활용할 수 있어 센서 소자나 새로운 플랫폼 개발 등 다양한 분야에 이용될 수 있다. 이러한 연구를 진행하기 위해서는 박막의 두께를 정밀하게 측정해야 한다. 그러나 현재까지 개발된 비파괴적 측정 방법들은 단일층에서는 박막의 두께를 쉽게 측정할 수 있지만, 여러 층에서 측정하는 일에는 어려움이 있다. 따라서 이번 연구를 발전시켜 나간다면 웨이퍼를 절단하지 않고도 기존 측정 기술보다 정확하게 두께를 측정하는 범용적인 방법이 될 것으로 기대된다.

마지막으로 이 교수는 최근 국내만이 아니라 국외에서도 반도체에 대한 관심이 커지고 있다며, 반도체의 중요성이 다시 강조되고 있는 지금 학생들이 반도체에 많은 관심을 가져 주기를 바란다고 전했다. 이와 더불어 전자공학이나 컴퓨터공학 분야만이 아니라 기계공학에서도 반도체 소재-부품-장비 분야에 새로운 아이디어로 접근할 수 있으므로, 학위 과정 이후 다양한 진로 선택의 순간에 큰 도움이 될 거라고 덧붙였다.