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학술

사진 한 방으로 반도체 결함 검사한다

'Optics Express'와'Optics Letters'에 게재

실시간 3차원 나노소자 측정기술 개발 



한국표준과학연구원(KRISS, 원장 직무대행 조성재)이 첨단 반도체나 디스플레이의 내부 결함을 이미지 한 장만으로 검사하는 데 성공했다.

KRISS 첨단측정장비연구소 김영식 책임연구원팀은 3차원 나노소자의 구조와 특성을 생산라인에서 즉각 파악할 수 있는 측정기술을 개발했다. 1초라도 늦어지면 생산량에 큰 영향을 끼치는 제조공정에서 지연 없이 불량을 검출하여 제품의 품질 경쟁력을 높일 것으로 전망된다.

이번 기술은 겹겹이 쌓은 다층막 소자의 두께와 굴절률 측정을 통해 실시간 불량 검출이 가능하다. 

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

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

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

KRISS 김영식 책임연구원팀은 3차원 나노소자 이미지 한 장으로 두께와 굴절률을 동시에 파악할 수 있는 측정기술을 개발했다. 두께와 굴절률은 일정하게 유지해야만 소자의 수율을 확보할 수 있는 핵심적인 요소다.

연구팀은 영상분광기, 편광카메라, 대물렌즈를 하나의 시스템에 융·복합했다. 여러 번의 측정을 거친 기존의 복잡한 과정을 한 번의 측정으로 해결했으며, 공간분해능을 10배 이상 향상시켰다.

나노소자가 생산라인에 설치된 측정장비를 통과하면 장비의 대물렌즈에 특정 간섭무늬가 생성된다. 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 된다.

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

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 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 옵틱스 익스프레스(Optics Express–IF: 3.561)와 옵틱스 레터스(Optics Letters-IF: 3.886)에 게재되었다.



□ 용어 설명

1. 다층막(다층박막, multilayer film)
- 나노소자의 집적도를 극대화하기 위해 투명하고 전도성을 띠는 박막을 적층형으로 쌓아 올린 구조. 
- 1층의 단순 곡면구조(simple surface)가 아닌 고성능의 다층 복합 곡면구조(complex surface)에 대한 수요가 급증하면서, 자연스럽게 각 층에 대해 두께 및 굴절률 등을 측정할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

2. 편광(polarized light)
- 진공에서와같이 전기장과 자기장이 진행 방향에 수직인 빛에 대해, 수직한 임의의 평면에서 전기장의 방향이 일정한 빛. 
- 전기장의 방향이 전파되는 방향에 대해 수직 방향으로 진행하면 수직 편광, 수평 방향으로 진행하면 수평 편광이라 한다.


□ 연구성과 이미지







영상분광기, 편광카메라, 대물렌즈가 하나의 시스템에 융·복합되었다.



편광 이미지의 간섭무늬를 분석하면 네 장의 서브 편광 이미지로 나눌 수 있으며, 여기서 나오는 반사율 및 위상정보로 소자의 두께와 굴절률을 계산할 수 있다.




1) 왼쪽: 기존의 비파괴 박막두께 측정기술인 타원계측기(Ellipsometer)와 
이번 연구성과의 측정결과 비교로서 거의 일치
2) 오른쪽: 편광에 따른 반사율 및 위상 측정결과로서 이론과 거의 일치


□ 활용 방안

1. 반도체 소자 검사
 반도체 산업에서의 적층형 패키징 기술은 다기능 및 고성능을 위한 3D 패키징 기술을 제공함으로써 제조 공정에 대한 새로운 패러다임을 제시했다. 반도체 소자의 집적도를 극대화시키기 위해 적층형 구조로 쌓아올린 3D 패키징 소자에 대한 비파괴 3차원 내부 검사에 활용할 수 있다.

2. 디스플레이 패널 검사
- 우수한 기계적 유연성과 전기 전도성 및 광학적 투명성을 제공하는 차세대 디스플레이 기술로서 다층 투명전극을 활용한 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이가 주목받고 있다. 고해상도 대형 디스플레이를 비롯한 플렉시블 디스플레이에 적용 가능한 차세대 OLED 패널의 유기막 측정에 활용할 수 있다.

3. 태양광 전지 검사
 친환경 에너지원으로 주목받고 있는 태양광 전지의 투명 전극을 포함한 다층막 구조물에 대한 3차원 내부 분석에 활용할 수 있다.
□ 연구성과 에피소드
2017년도에 개발한 3D 광학단층촬영기술의 측정 속도 한계를 뛰어넘고자 이번 기술이 개발되었다.
- 관련 보도자료 링크: 우주 보는 광학기술, 나노구조 측정기술로 재탄생했다(17.10.25.)


□ 논문 및 지원사업 관련 정보

1. 논문명 및 주소: 
1) “Single-shot freeform surface profiler” Optics Express, 2020.02. (I.F. 3.561)

2) “Instantaneous thickness measurement of multilayer films by single-shot angle-resolved spectral reflectometry” Optics Letters 2019.11. (I.F. 3.886)“

2. 지원사업: 한국표준과학연구원 주요사업




연구성과 사진
















김영식 책임연구원 프로필



1. 인적사항
 ○ 성 명 : 김영식
 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소 우주광학팀
 ○ 직 위 : 책임연구원  
 ○ 전 화 : 042-868-5678
 ○ e-mail : young.ghim@kriss.re.kr

2. 학력
 ○  KAIST 기계공학과 학사(2001)
 ○  KAIST 기계공학과 석사(2003)
 ○  KAIST 기계공학과 박사(2007)

3. 경력사항
 ○  2007       : KAIST 기계기술연구소 박사후연구원
 ○  2008~2009 : 노스캐롤라이나대학교 박사후연구원
 ○  2009~2011 : 삼성전기 생산기술연구소 책임연구원
 ○  2011~현재 : 한국표준과학연구원 선임연구원, 책임연구원
 ○  2014~현재 : 과학기술연합대학원대학교 측정과학과 부교수, 교수
 ○  2019~현재 : 한국표준과학연구원 우대연구원

4. 수상실적
 ○  2005 : 한국광학회 우수 논문상
 ○  2006, 2007 : 삼성전기 Inside Edge 논문대상 은상, 금상
 ○  2017, 2019 : 한국표준과학연구원 이달의 KRISS 인상
 ○  2019 : 한국정밀공학회 최우수 논문상, UST 우수강의상

5. 전문 분야 정보
 ○ 자유곡면 초정밀 3차원 형상 측정기술, 홀로그래피 복합 광소자 3D 단층 촬영기술, 초정밀 광학계 가공 기술, 가상증강현실 광학 성능 평가기술 등

 6. 발표논문 및 특허
 ○ “Single-shot freeform surface profiler” Optics Express, 2020.02. (I.F. 3.561)등 SCI급 27편
 ○ "편광에 따른 각도분해 분광간섭 영상을 이용한 다층박막 두께 및 굴절률 측정장치 및 측정방법" 등 국내·외 특허 32건



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