한국표준과학연구원(KRISS)이 첨단 반도체나 디스플레이의 내부 결함을 이미지 한 장만으로 검사하는 데 성공했습니다. KRISS 첨단측정장비연구소 김영식 책임연구원팀은 3차원 나노소자의 구조와 특성을 생산라인에서 즉각 파악할 수 있는 측정 기술을 개발했습니다. 이번 기술은 겹겹이 쌓은 다층막 소자의 두께와 굴절률 측정을 통해 실시간 불량 검출이 가능합니다. 1초라도 늦어지면 생산량에 큰 영향을 끼치는 제조 공정에서 지연 없이 불량을 검출하여 제품의 품질 경쟁력을 높일 것으로 전망됩니다. 연구결과는 국제학술지 <Optics Express>와 <Optics Letters>에 게재됐습니다.

제품 불량률 낮추기 위한 방법 시급

메모리 소자 기술의 핵심은 정해진 2차원 면적에 최대한 많은 소자를 배치하는 겁니다. 2차원이 한계에 부딪히자 박막을 10층 이상 겹겹이 쌓는 패키징 기술로 다층막 3차원 나노소자가 개발됐고, 초고속화, 대용량화의 한계를 뛰어넘었습니다. 3차원 나노소자는 반도체, 플렉시블 디스플레이, IoT 센서 등 첨단분야에 널리 사용되고 있습니다.

소자 성능이 향상되는 만큼 공정 기술의 복잡도 또한 올라가게 되어 제품의 불량률이 높아지고 있습니다. 그러나 아직 현장에서는 실시간이 아닌 완성품 중 일부를 파괴하여 검사하는 방식을 주로 사용합니다. 비파괴 검사는 측정 과정이 오래 걸리고 외부 진동과 같은 환경 변화에 취약하여 현장에서 쓸 수 없기 때문입니다.

불량을 제때 검출하지 못하면 수조 원대의 리콜 사태가 빚어질 수 있는 만큼 빠르고 정확한 측정이 필요한 시점입니다. 현재는 이러한 문제로 3차원 나노소자의 생산성이 떨어지고 단가가 상승하고 있습니다.

이미지 한장으로 파악 가능한 측정기술 개발

KRISS 김영식 책임연구원팀은 3차원 나노소자 이미지 한 장으로 두께와 굴절률을 동시에 파악할 수 있는 측정기술을 개발했습니다. 두께와 굴절률은 일정하게 유지해야만 소자의 수율을 확보할 수 있는 핵심적인 요소입니다. 연구팀은 영상분광기, 편광카메라, 대물렌즈를 하나의 시스템에 융·복합했습니다. 여러 번의 측정을 거친 기존의 복잡한 과정을 한 번의 측정으로 해결했으며 공간분해능을 10배 이상 향상시켰습니다.

나노소자가 생산라인에 설치된 측정장비를 통과하면 장비의 대물렌즈에 특정 간섭무늬가 생성됩다. 무늬가 영상분광기와 편광카메라를 통해 분석되면 다양한 입사각과 파장, 그리고 편광상태에 따른 반사율 및 위상 정보를 동시에 얻을 수 있는데, 이 정보들로 최종적인 두께와 굴절률 값을 산출하게 됩니다.

그동안 소자의 비파괴 검사기술은 외부 영향이 적은 연구실에서만 제한적으로 사용했으나 생산라인에 쉽게 장착하여 빠르게 검사할 수 있는 이번 기술을 통해 산업현장에도 적용할 수 있게 됐습니다. 무엇보다 제대로 이루어지지 못했던 첨단소자의 두께 관리가 가능해져 품질 면에서 큰 이점을 갖게 될 것으로 보입니다.

KRISS 김영식 책임연구원은 "일본 수출규제에 따른 국산 측정장비의 자립화는 물론 첨단소자의 수율 확보에도 기여할 수 있는 기술"이라며 "3차원 반도체, 차세대 디스플레이 등 국가 경쟁력 확보와 직결되는 최첨단 산업에 필수적인 장비가 될 것이다"라고 말했습니다.

##참고자료##

• Seo, Yong Bum, et al. "Single-shot freeform surface profiler." Optics Express 28.3 (2020): 3401-3409.
• Ghim, Young-Sik, and Hyug-Gyo Rhee. "Instantaneous thickness measurement of multilayer films by single-shot angle-resolved spectral reflectometry." Optics letters 44.22 (2019): 5418-5421.

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