Coherent 반도체 제조 솔루션: 웨이퍼 검사
Coherent UV 레이저로 수율 극대화와 비용 절감의 핵심 요인인 반도체 웨이퍼의 미세한 결함을 감지할 수 있습니다.
2024년 10월 17일, Coherent
NASA가 달 착륙 시 사용한 아폴로 가이던스 컴퓨터(AGC)는 1960년대에 제작될 당시 비용이 약 1억 5천만 달러(현재 가치로 10억 달러)였습니다. 전자레인지 정도의 크기였고 무게는 약 32kg이었습니다.
오늘날 최고급 iPhone 15는 1,600달러이고 물론 손바닥에 쏙 들어옵니다. 그리고 iPhone은 초당 수행할 수 있는 연산의 수 측면에서 AGC보다 약 2억 배 더 강력합니다.
이와 같은 마이크로프로세서 성능의 증가는 인텔의 공동 창업자 고든 무어가 예측한 것으로, 그는 마이크로칩의 트랜지스터 수가 약 2년마다 두 배가 될 것이라고 말했습니다. 하지만 방금 인용한 비교는 무어의 법칙, 때로는 무어의 제2 법칙이라고도 하는 중요한 추론을 강조합니다. 즉, 달러당 사용 가능한 마이크로프로세서 성능도 시간이 지남에 따라 기하급수적으로 증가합니다.
무어의 제1 법칙과 제2 법칙은 시간이 지나도 여전히 유효했던 이유는 반도체 산업이 동시에 다음의 두 가지 목표를 달성하는 데 집중해 왔기 때문입니다. 첫 번째는 회로 소자와 어셈블리를 더 작게 만드는 것입니다. 두 번째는 비용을 계속 낮추는 것입니다.
반도체 제조에서 중요한 비용 요소는 수율이며, 이에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나는 생산 환경에서의 결함과 오염 물질입니다. 결함을 줄이기 위해 제조업체는 처음부터 오염을 방지할 수 있는 클린룸 환경과 같은 장비에 상당한 투자를 합니다. 또한, 발생하는 모든 결함을 감지하고 영향을 최소화하기 위해 고급 검사 기술을 사용하여 최적의 수율과 비용 효율성을 확보합니다.
웨이퍼 검사에서의 레이저
레이저는 비접촉 방식으로 감도와 속도의 탁월한 조합을 제공하기 때문에 반도체 검사에 이상적인 도구입니다. 또한 매우 다목적으로 쓰이며 다양한 검사 작업을 수행하도록 최적화할 수 있습니다.
결과적으로, 레이저는 마이크로일렉트로닉스 산업의 아주 초기부터 검사에 사용되었습니다. 1960년대 후반, 레이저가 처음 시장에 출시된 지 오래되지 않아, 웨이퍼 평탄도와 두께 측정과 같은 계측 작업에 이미 사용되고 있었습니다.
1980년대에 반도체 장치가 더 작고 복잡해지면서, 반도체 업계는 다른 레이저 기반 검사 방법을 채택하기 시작했습니다. 레이저 빔을 웨이퍼 표면에 조사하고 반사된 빛을 분석하여 미립자, 스크래치, 패턴 편차와 같은 결함을 감지하는 방법 등이 있었습니다. 이 기간에 고품질 반도체 생산에 중요한 요소인 점점 더 작은 결함을 감지할 수 있는 보다 정교한 레이저 기반 검사 시스템이 개발되었습니다.
그 후 수십 년 동안 산란계측법과 기타 고급 계측 기술이 도입되면서 레이저 기반 방법이 상당히 개선되었습니다. 레이저로 웨이퍼 표면에서 반사된 빛의 패턴을 분석하는 산란계측법을 통해 이전에는 감지할 수 없었던 미묘한 결함을 감지할 수 있게 되었습니다.
작은 회로가 검사에서 큰 과제가 되는 이유
웨이퍼 검사는 새로운 세대의 칩이 개발될 때마다 점점 더 중요하고 어려워지고 있습니다. 노드 크기가 감소할 때마다 칩 아키텍처가 더 복잡해지고 새로운 소재와 더 작고 복잡한 기능이 통합되기 때문입니다. 이러한 발전은 성능 경계를 넓히는 동시에 결함이 발생할 수 있는 새로운 기회를 가져옵니다. 그리고 이렇게 소규모로 작업할 때는 웨이퍼의 가장 작고 사소한 결함조차도 칩 불량으로 이어질 수 있습니다.
따라서 제조업체는 주요 공정 단계 후에 엄격한 검사를 수행하여 결함을 조기에 찾아내야 합니다. 이러한 검사를 수행하면 수율(웨이퍼당 사용 가능한 칩), 처리량(생산 속도) 및 궁극적으로 수율을 최적화하는 데 도움이 됩니다.
더 작은 회로 형태로 인해 검사 필요성이 크게 증가했으며, 이는 종종 레이저로 가장 잘 수행됩니다.
하지만 여기서 알아야 할 주요 개념은 결함 감지의 경계를 넓히려면 더 짧은 파장의 레이저가 필요하다는 사실입니다. 광 산란의 효율성이 빛의 파장과 검사되는 형상 또는 결함의 크기 간의 관계에 따라 달라지기 때문입니다. 형상 크기가 빛의 파장보다 훨씬 작으면 산란이 덜 효율적이고 이러한 형상 또는 결함에서 나오는 신호가 감소합니다. 다시 말해, 적어도 대량 반도체 제조에 적절한 시간 척도에서는 결함을 감지할 수 없습니다.
빛 산란과 결함 크기 간의 관계 때문에 더 작은 결함을 감지하려면 더 짧은 파장의 레이저가 필요합니다. 현재 가장 까다로운 웨이퍼 검사 작업에는 266nm 레이저가 사용됩니다.
20년 전, 트랜지스터의 크기가 작업이 수월한 110nm 이상이었을 때, 가시 녹색 레이저(532nm)와 자외선(UV) 레이저는 결함 감지에 사용하기에 적합했습니다. 하지만 회로 형상이 축소되면서 업계는 심자외선(DUV) 레이저로 전환했습니다.
Coherent는 2002년 획기적인 Azure 레이저를 출시하면서 이러한 과제에 직접 대응했습니다. 이 레이저는 광펌핑 반도체 레이저(OPS) 기술을 사용하여 녹색 광을 출력한 다음 주파수를 두 배로 늘려 DUV(266nm)로 만듭니다.
Azure는 단일 주파수 안정화 파장에서 연속파(CW)를 출력합니다. 좁은 파장, 고출력, 저잡음, 최고의 안정성을 결합하여 고처리량 반도체 제조에 필요한 속도로 작은 결함을 확실하게 감지합니다.
Coherent의 차별점은 뛰어난 수명과 안정성을 제공하는 고출력 심자외선 레이저를 생산하는 능력입니다. 이를 이룰 수 있었던 이유는 여러 가지가 있습니다.
첫째, 자체 비선형 결정을 만듭니다. 심자외선 작업은 엄청난 정밀도로 제조된 매우 고품질의 결정이 필요합니다. 주파수 배가 결정에 필요한 품질 수준을 얻을 수 있는 유일한 방법은 직접 만드는 것입니다.
다음으로, 레이저 자체 내의 광학 마운트를 위해 특허받은 PermAlig 구조를 사용합니다. 이러한 마운트는 뛰어난 장기 안정성을 제공하므로 조정할 필요가 없습니다. PermAlig 마운트를 사용하면 레이저 공진기를 밀폐할 수 있습니다. 그리고 레이저 성능에 영향을 줄 수 있는 환경 오염 물질의 유입을 차단할 수 있습니다. 게다가 레이저는 반자동 방법으로 클린룸 환경에서 조립되어 처음부터 오염을 차단합니다. 이를 통해 높은 수준의 유닛 간 일관성도 확보됩니다.
공정 중 웨이퍼 척에서 부품 적합성을 확인하기 위한 양호/불량 검사.
웨이퍼 검사에 대한 또 다른 요구 사항은 고속 모션 및 부품 취급 기계 장치와 매우 안정적인 표면(측정 노이즈 최소화)입니다. Coherent는 스테이지 및 기타 툴링에 대한 반응 결합 SiC(RBSiC)를 공급하므로 가장 까다로운 검사 시스템에 필요한 낮은 열 팽창(CTE), 고강도, 고강도 대 중량 비율의 고유한 조합을 제공합니다.
미래 로드맵
반도체 산업이 훨씬 작은 노드로 발전해 나감에 따라 검사 레이저에 대한 요구 사항은 더욱 엄격해졌습니다. 다행히, 이는 Coherent의 핵심 강점과 완벽하게 일치합니다. Coherent는 선도적인 웨이퍼 제조 장비 제조업체와 긴밀히 협력하여, 반도체 제조 공정의 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 이를 예상할 수도 있습니다. 따라서 Coherent는 제조업체가 현재와 미래의 검사 과제를 극복할 수 있도록 지원합니다.
Coherent Azure 레이저에 대해 자세히 알아보십시오.
