표면 너머를 보다: SWIR 검사가 반도체 제조를 지원하는 방식

반도체는 현대 기술의 핵심으로, 소비자 가전과 전기차부터 산업 자동화 및 첨단 컴퓨팅 시스템에 이르기까지 수많은 일상 기기의 핵심을 이루고 있습니다. 각 칩 뒤에는 수개월에 걸쳐 진행되며 수백에서 수천 개의 개별 공정이 포함된 고도로 통제된 제조 공정이 존재합니다. 각 단계는 이전 단계를 직접 기반으로 하며, 경우에 따라 트랜지스터와 배선이 있는 여러 웨이퍼를 서로 결합하여 단일 집적 회로를 생성하기도 합니다. 

초기 단계에서 발생한 결함은 후속 고온·고정밀 공정에서 확산되고 악화될 수 있어, 제조 공정 전반에 걸쳐 지속적인 검사가 필수적입니다. 구조가 미세해지고 핵심 특징이 표면 아래로 확장됨에 따라, 기존의 가시광선 검사만으로는 더 이상 충분하지 않습니다. 

실리콘에서 웨이퍼로: 모든 단계의 정밀도 

단일 트랜지스터가 패턴화, 식각 또는 배선되기 전에 모든 반도체 소자는 초정밀도로 성형된 초순도 실리콘으로 생명을 시작합니다. 웨이퍼 제조는 고온으로 가열되어 녹는 다결정 실리콘으로 시작됩니다. 이후 정밀하게 배향된 실리콘 시드 결정이 용융 실리콘과 접촉한 후 서서히 위로 끌어올려집니다. 

상승하면서 실리콘은 시드 주위에서 고형화되어 완벽하게 정렬된 결정 구조를 가진 단결정 실리콘 막대, 즉 잉곳을 형성합니다. 

다결정 실리콘 용융 및 잉곳 형성

 잉곳은 이후 까다로운 절삭, 래핑, 모따기, 열처리, 연마, 세척 과정을 거쳐 변형됩니다.  

잉곳 절단 및 웨이퍼 생산

목표는 타협할 수 없습니다: 거울처럼 매끄러운 표면과 서브마이크론 수준까지 제어된 평탄도를 가진 실리콘 웨이퍼를 만드는 것입니다. 이 단계에서 아주 작은 결함도 후속 공정으로 전파될 수 있으므로, 검사는 단순한 품질 관리 단계가 아니라 현대 반도체 제조의 근본적인 요구 사항입니다.  

웨이퍼가 형성되면 산화 및 박막 증착, 포토레지스트 코팅, 포토 리소그래피(노광 및 현상), 에칭, 애싱 또는 세척을 포함한 여러 번의 공정 주기를 거칩니다. 프런트엔드 공정이 완료된 후 웨이퍼는 최종 웨이퍼 검사, 웨이퍼 다이싱, 다이 부착, 패키징 및 최종 전기 테스트를 포함한 최종 제조 단계로 진행됩니다. 

• 산화 및 박막 증착 

  실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 다양한 금속과 같은 기능성 층은 열 산화 및 박막 증착을 포함한 공정을 통해 웨이퍼 표면에 형성됩니다. 이러한 층의 균일성은 매우 중요합니다. 미세한 두께 변동이나 국소적 결함조차도 후속 공정에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.
  

• 포토레지스트 코팅
  
  포토레지스트 코팅 단계에서는 패턴 전사를 준비하기 위해 감광성 레지스트를 웨이퍼 표면에 도포합니다. 레지스트 두께의 균일성은 매우 중요합니다. 두께 변동은 후속 리소그래피 단계에서의 노출 정확도와 패턴 충실도에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다. 

• 포토리소그래피(노광 및 현상) 

  포토리소그래피는 웨이퍼 위에 소자 구조를 형성하는 핵심 패턴을 정의합니다. 이러한 패턴은 궁극적으로 칩의 전기적 기능성과 작동 특성을 결정합니다. 포토레지스트의 정확한 정렬과 완전한 현상은 필수적입니다. 사소한 편차조차 구조적 결함으로 이어질 수 있기 때문입니다. 

  
  

  웨이퍼 포토리소그래피

  
  

• 에칭(습식 및 건식)
  
  에칭은 선택적으로 재료를 제거하여 장치 구조를 형성합니다. 이 공정에서 포토레지스트로 보호되지 않은 웨이퍼 영역은 정밀하게 제거되어 의도된 패턴을 하부 층으로 전사합니다. 불완전한 에칭이나 잔류 폴리머는 전기적 성능을 저하시키고 잠재적 결함으로 이어질 수 있습니다.   

• 애싱/클리닝
  
  애싱 및 클리닝은 후속 공정 전에 잔여 포토레지스트와 공정 잔류물을 제거합니다. 잔류 오염은 후속 증착 또는 리소그래피 단계에 간섭하여 수율과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다. 표면이 적절히 클리닝되면 새로운 재료 층이 증착되고 다음 층을 위한 패터닝 사이클이 반복됩니다.

• 최종 웨이퍼 검사(후공정) 
  
  프런트엔드 공정 후 웨이퍼는 다이싱 전에 최종 검사를 거칩니다. 다중 층에 걸쳐 누적된 결함 및 응력 유발 또는 표면 아래 손상을 식별하여 수율을 보호해야 합니다.  

• 웨이퍼 다이싱
  
  이 단계에서 수백 개에서 수천 개의 개별 칩을 포함하는 완성된 웨이퍼를 개별 다이로 정밀하게 분리해야 합니다. 웨이퍼 다이싱 과정에서 기계적 응력은 다이싱 레인을 따라 표면 아래 균열과 칩핑을 유발할 수 있습니다. 이러한 결함은 표면에서는 보이지 않을 수 있지만, 이후 다이 고장을 일으킬 수 있습니다.  

• 다이 부착, 패키징 및 최종 테스트
  
  패키징은 반도체 제조의 마지막 단계로, 베어 실리콘 다이를 보호되고 전기적으로 연결되며 기계적으로 견고한 부품으로 변환하여 PCB 통합을 준비합니다. 이 단계에서 개별 다이는 부착, 패키징 및 전기적 테스트를 거칩니다. 취급 또는 패키징 과정에서 발생한 기계적 손상은 장기적인 신뢰성을 저해할 수 있습니다.  

표면 검사만으로는 충분하지 않은 SWIR 이미징 

실리콘은 가시광선 영역에서는 불투명하지만, 단파장 적외선(SWIR) 파장에서는 부분적으로 투명해져 빛이 재료를 통과할 수 있게 합니다. 이를 통해 겉보기에는 완벽해 보이는 표면 아래의 내부 구조와 결함을 검사할 수 있습니다. 마치 표면이 매끄러워 보여도 유리창 내부의 균열을 볼 수 있는 것과 유사합니다. 단파장 적외선(SWIR) 이미징은 실리콘 및 관련 공정 층 내부의 표면 아래 정보와 재료 대비를 파악할 수 있게 하여, 반도체 제조 공정 전반에 걸쳐 결함 조기 탐지, 공정 제어 개선, 더 신뢰할 수 있는 제조 의사 결정을 가능하게 합니다. 

반도체 제조는 모든 단계에서 정밀성을 요구합니다. 초기 단계에서 발생한 결함은 공정 전반에 걸쳐 확산되어 수율과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있으며, 생산 자체가 수개월에 걸쳐 진행된다는 점을 고려할 때 상당한 납기 지연을 초래할 수 있기 때문입니다. 소자 구조가 미세화되고 검사 과제가 표면 너머로 확장됨에 따라, SWIR 이미징은 가시광선 검사만으로는 해결할 수 없는 표면 아래 특징과 재료 변이를 가시화함으로써 효과적인 공정 제어의 핵심 요소로 자리매김했습니다.  

웨이퍼 입고 검사 

검사는 하류 공정에서 어떤 가치도 추가되기 전에 시작되어야 합니다. 가장 초기에 수행되며 가장 중요한 검사 단계 중 하나는 결정 성장 과정 중 내부 열 응력 불균형으로 발생하거나 이후 슬라이싱 및 기계 가공 과정에서 도입된 숨겨진 균열 및 표면 아래 결함의 탐지입니다. 

웨이퍼 숨겨진 균열 검사

이러한 미세 균열은 표면에서는 종종 보이지 않지만, 후속 고온 공정 단계에서 확대되어 웨이퍼 파손, 수율 손실 또는 잠재적 장치 고장을 초래할 수 있습니다. 손상된 웨이퍼로 반도체 공정을 시작하는 것은 비효율적일 뿐만 아니라, 결함이 후속 공정 단계마다 전파되고 증폭되기 때문에 비용이 많이 들고 위험합니다.

제조 공정 전반에 걸친 검사

제조 공정 전반에 통합된 SWIR 이미징은 잔류 물질 및 공정 층의 불완전한 제거를 감지함으로써 에칭과 같은 중요한 단계에서 검사 능력을 향상시킵니다. 이러한 결함의 조기 식별은 다운스트림 문제를 방지하고 일관되고 고품질의 웨이퍼 생산을 지원합니다.

품질 및 신뢰성 보장을 위한 백엔드 검사

프런트엔드 공정 후 다이싱 전에 웨이퍼는 다중 레이어에 걸쳐 누적된 결함을 평가하기 위한 최종 검사를 거칩니다. 이 단계에서 SWIR 이미징은 표면 아래 균열, 공극 및 구조적 결함 또는 정렬 관련 문제의 검출을 지원합니다.

또한 웨이퍼 다이싱은 다이싱 레인을 따라 균열과 치핑을 발생시킬 수 있는 기계적 스트레스를 유발하며, 이러한 결함은 표면에서 즉시 확인되지 않을 수 있습니다.

SWIR 라인 스캔 카메라를 사용하면 절단 경로를 관찰하고 다이싱 라인을 따라 모니터링하여 가장자리의 균열 발생을 조기에 감지할 수 있습니다.

앞으로 JAI는 첨단 웨이퍼 및 장치 검사의 진화하는 요구 사항을 충족하도록 설계된 신제품을 통해 반도체 제조 공정의 모든 단계에 걸친 검사 요구 사항을 지원할 수 있게 될 것입니다.