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반도체 산업 표면/계면 분석기술의 현재와 미래

진공 이야기 Vacuum Magazine │2016 12 December24

<저자 약력>

■ 김안순 박사는 2005년 한국과학기술원(KAIST) 화학과에서 박사학위를 받았으며, 2010년 3월까지 한국전자통신연구원(ETRI)에서 박사후 연구

원 및 선임연구원, 2013년 5월까지 미국 Hewlett-Packard Labs에서 연구원, 2013년 7월부터 현재까지 한국표준과학연구원에서 책임연구원으

로 재직중이다. ([email protected])

■ 신채호 박사는 2010년 서울대학교에서 이학박사를 받았고, 2015년 3월까지 삼성전자 메모리 사업부 선행 측정 장비기술 개발팀에 있다가 2015

년 4월부터 한국 표준과학연구원에서 근무하고 있다. ([email protected])

머리말

표면 분석 기술은 측정 기작(반사, 회절, 산란, 터널

링, 힘)이나 탐지 입자(광자, 전자, 원자) 등에 따라 여

러 가지로 나뉘어 지는데, 대표적으로 SIMS(Secondary

Ion Mass Spectroscopy), AES(Auger Electron

Spectroscopy), ISS(Ion Scattering Spectroscopy),

RBS(Rutherford Back Scattering), PES(Photo

Emission Spectroscopy), LEED(Low Energy

Electron Diffraction), RHEED(Reflection High

Energy Diffraction), EELS(Electron Energy

Loss Spectroscopy), STM(Scanning Tunneling

Microscopy), AFM(Atomic Force Microscopy),

HIM(Helium Ion Microscopy), ATP(Atom Probe

Tomography) 등이 있다. 이러한 분석 기술들은 주로 표

면 과학(surface science) 영역에서 기초연구를 위한 목

적으로 사용되어지고 있는데, 각각은 고유의 장점과 함께

한계를 지니고 있기 때문에 표면 물성을 심도 있게 이해

하기 위해서는 여러 가지 표면 분석 기술들을 활용해서 상

보적인 정보를 얻어내야 한다. 예를 들어 표면 구조를 살

피기 위해 LEED, STM, AFM 등이 활용될 수 있고, 화

학 원소 및 화학 결합(bonding)에 대한 정보를 얻기 위해

AES, XPS, SIMS 등이 활용될 수 있다. 본 글에서는 산

업 현장에서 주요하게 활용되는 두 가지 표면 분석 기술

즉 XPS와 AFM 기술의 원리 및 활용 방식 그리고 향후

발전 방향에 대해 간략히 소개하고자 한다.

1. XPS 기반 분석 기술

XPS의 원리

엑스선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron

Spectroscopy; XPS)은 표면분석에 있어서 가장 널리 사용

되고 있는 분석 기술 중 하나로서 1905년 아인슈타인이 발

표한 광전효과의 이론을 기반으로 한 분석법이다. 분석하

고자 하는 시료에 X-선 중 상대적으로 파장이 긴 수십에

서 수천 eV의 에너지에 해당되는 soft X-선을 시료에 조

사하면 분석 시료를 이루고 있는 표면 층 원자로부터 강하

게 결합되어 있는 내각준위 (core level) 또는 약하게 결합

되어 있는 외각 준위 (valence level) 전자가 방출되게 된

다. 이 때 방출되는 전자를 광전자라고 하고, 광전자가 방

출되기 위해서는 전자의 결합에너지 (binding energy) 및

일함수(work function)를 뛰어 넘을 수 있는 운동에너지

가 필요하다. 그림 1의 입사된 X-선의 에너지 hν를 분석

시료의 전자가 전달받아 결합 에너지(Eb)를 끊고 물질의

일함수(φ)를 뛰어넘어 광전자가 방출되게 되고 방출된 광

전자의 운동 에너지(Ekin)를 측정함으로 그 물질에 해당하

는 전자의 결합에너지를 아래 식 (1)을 통해 구할 수 있다.

(1) Ekin=hν-Eb-φ

XPS를 이용해 측정된 결합 에너지는 원소의 고유한 에

너지이므로 분석 시료의 원소를 분석 할 수 있으며 결합

반도체 산업에서의 XPS 및 AFM 분석 기술

김안순, 신채호


25반도체 산업 표면/계면 분석기술의 현재와 미래

에너지는 화학적 결합상태에 따라 변하기 때문에 화학적

결합 상태에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이와 같이 XPS

는 시료 구성성분 원자의 화학적 구조와 산화상태에 대

한 화학적 정보를 동시에 제공하기 때문에 화학분석을 위

한 전자분광법(Electron Spectroscopy for Chemical

Analysis)인 ESCA라고 명명하기도 한다.

시료에서 방출된 광전자의 경우 공기나 다른 분자에 의

해 에너지가 잘 흡수되므로 전자의 운동에너지를 측정해

야 하는 XPS는 초고진공(Ultra-High Vacuum, UHV)

이 필요하게 된다. 실제 오늘날 이용되는 XPS의 실험장

치와 이론은 UHV 제작기술의 부족으로 인해 실제 1960

년대 스웨덴의 물리학자 K. Siegbahn [1]에 의해 개발되

었으며 1981년 Nobel 물리학상을 받았다. 초기 XPS는 고

체 및 기체 상태의 원자 또는 분자의 전자구조를 분석하

기 위해서 개발되었으나 고체표면으로부터 방출된 광전

자의 평균 자유 행로(mean free path)가 수 나노미터 정

도로 짧다는 것이 밝혀지면서부터 XPS는 표면층의 성분

및 분자 결합상태 등에 대한 정성 분석 및 정량 분석에 활

용되고 있다. X-선 광전자 분광기의 구조는 그림 2와 같

이 내각준위 전자를 시료로부터 방출시키기 위해 Al-K

α (hν = 1486.6 eV) 또는 Mg-K α (hν = 1253.6 eV)의

X-선을 주로 사용한다. 수십 kV 전자가 Al anode에 충

돌하면 anode로부터 고유 X-선이 발생하게 된다. 발생

된 X-선의 반높이너비(FWHM)를 개선하고 세기가 약한

X-선(Al-K α3)에 의한 약 10 eV 정도 큰 운동에너지 영

역에서 나타나는 위성 스펙트럼(satellite spectrum)을

제거하기 위해 단색화 장치(monochromator)를 이용한

다. 단색화 장치로부터 X-선을 샘플 표면에 조사하여 방

출된 광전자는 현재 가장 많이 사용되는 반구형 전자에

너지 분석기(Hemispherical Sector energy Analyzer;

HSA)를 통해 안쪽과 바깥쪽에 특정 전압을 인가했을

때 분석기 안으로 들어온 전자 중 특정 운동에너지를 가

진 전자만 반구를 지나 검출기에 도달하게 된다. 이렇

게 측정된 광전자의 결합에너지는 원소의 종류 뿐만 아

니라 원자의 전자 분포 변화에 따른 전하 퍼텐셜(charge

potential) 변화에 따라 결합에너지 변화로부터 XPS의

가장 큰 특징 중 하나인 원자의 산화상태 및 화학적 결합

상태에 대한 정보를 제공할 수 있다.

XPS의 분석 기술의 활용: 반도체 산업 및 태양전지 산업

광전자의 평균 자유 행로(mean free path)가 수 나노

미터 정도로 짧다는 것이 밝혀지면서부터 XPS는 초박막

의 성분 및 분자 결합상태 등에 대한 정성 분석 및 정량

분석에 활용되고 있다. 또한 XPS 분석 기술은 시료에 손

상을 가하지 않고 비파괴 분석이 가능하므로 시료의 표

면 층에 존재하는 오염물질 분석, 박막 및 코팅, 부식, 흡

착 및 촉매반응 등의 표면 처리 분야뿐만 아니라 최근에

는 반도체 표면의 성분 및 구조 분석 등에 관한 연구에도

응용되고 있다 [2]. 그림 3은 원자증착법(Atomic Layer

Deposition; ALD)로 2 nm SiO2 박막 위에 다른 두께

로 증착된 HfO2 박막의 XPS 스펙트럼이다 [3]. HfO2 박

막은 고유전율 절연막으로 초박막 게이트 산화 절연막으

로 널리 사용되고 있다. 그러므로 차세대 반도체 산업에

서는 nm급 HfO2 박막 두께 측정이 반도체 공정의 신뢰성

및 제어를 위해 큰 분석 이슈가 되고 있다. 본 결과에서

HfO2 박막은 한국표준과학연구원에서 보급하고 있는 표

[Fig. 1] X-선 광전자 분광법의 원리

[Fig. 2] XPS 분광기의 구조



준물질(Certified Reference Material; CRM) 103-04-

021을 사용하였다. 그림 3의 XPS 결과와 같이 HfO2 박

막의 두께가 1.0~4.0 nm로 두꺼워짐에 따라 그림 3(a)

와 같이 기판에서 기여되는 Si 2p 피크의 면적은 감소하

고 반면 그림 3(b)와 같이 HfO2 박막의 Hf 4f 피크는 증

가하여 두 피크의 피크 면적 변화를 이용하여 HfO2 박막

의 두께를 XPS 결과로부터 계산할 수 있다. 그림 3(c)는

증착된 HfO2 박막의 실험 증착 두께인 명목두께(nominal

thickness)에 따른 XPS를 이용하여 측정된 두께의 그래

프이다.

증착된 HfO2 박막의 두께를 인증하는 방법은 XPS와

TEM을 이용해 측정된 두께로 XPS의 결과로부터 offset

값을 TEM의 결과로부터 기울기를 보정하는 상호보정법

을 이용하였다 [3]. 그림 4(a)는 HfO2 박막의 TEM 사진

이고 그림 4(b)는 XPS와 TEM을 이용해 측정된 HfO2 박

막의 두께 그래프이다. 그림 4(b)의 결과로부터 XPS에서

측정된 박막 두께에 기울기를 곱하고 TEM에서 측정된

박막 두께에 offset을 더하여 평균을 구하면 상호보정법

에 의해 HfO2 박막의 인증두께가 계산된다.

XPS의 최근 또 다른 응용분야는 태양전지의 성분분석

이다. 특히 Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양전지는 높은

태양전지 효율과 저비용, 및 안정성으로 인해 기존 실리

콘 태양전지를 대체할 수 있는 기술로 개발되어오고 있

다. CIGS 박막은 4가지 원소 Cu, In, Ga, Se으로 구성

되어 있고 4가지 원소의 조성에 따라 밴드갭을 조절할 수

있기 때문에 박막 조성을 제어하는 것이 매우 중요하다.

특히 CIGS 박막 태양전지의 상업화에 있어 가장 큰 문제

점은 박막 조성의 재현성이다. 그러므로 정확한 CIGS 박

막의 조성을 분석할 수 있는 기술이 큰 이슈가 되고 있다.

그림 5는 XPS를 이용하여 태양전지 CIGS 박막의 깊이분

포도를 측정한 결과이다 [4]. CIGS 합금박막의 4가지 원

소에 대한 XPS의 상대감도인자를 측정하기 위해 한국표

[Fig. 3] XPS를 이용한 nm급 HfO2 박막 두께 측정 결과

[Fig. 4] (a) nm급 HfO2 박막 TEM 사진, (b) TEM 및 XPS를 이용한 HfO2 박막 두께 측정 그래프



준과학연구원 표준물질 #103-04-201을 이용하였다. 그

림 5(a)는 CIGS 합금박막의 Cu, In, Ga, Se 4가지 원소

에 대한 XPS 스펙트럼이다. 합금박막의 조성은 표준물질

을 이용해 깊이에 따른 XPS 피크면적을 적분한 값에 대

한 표준물질의 조성의 비를 이용하는 전수합산법을 이용

하여 상대감도인자를 계산하였다 [4]. 깊이에 따라 박막

의 조성이 변하지 않는 박막의 경우 상대감도인자는 표

면 오염층을 스퍼터링하여 제거한 후 XPS 피크의 면적

을 측정하여 구할 수 있으나 깊이에 따라 조성이 달라지

는 CIGS 합금박막의 경우에는 상대감도인자를 전수합산

법을 이용해 구할 수 있다. 측정하고자 하는 CIGS 합금

박막 샘플의 조성은 전수합산법으로 구해진 상대감도인

자를 적용하여 계산하였다. 깊이에 따른 CIGS 합금박막

의 조성을 측정하기 위해 3KeV의 Ar 이온으로 CIGS 박

막을 스퍼터링하고 CIGS의 표면 거칠기에 따른 분석 오

류를 최소화하기 위해 Zalar 회전을 이용하여 그림 5(b)

와 같은 깊이분포도 그래프를 얻을 수 있었다. 그림 5(b)

결과는 4번 측정하여 얻은 깊이분포도 결과인데 4번 측정

결과가 매우 유사한 것을 확인하였다.

지금까지 소개한 것과 같이 X-선 광전자 분광법은 물

질의 표면 및 계면의 조성분석에 널리 사용되는 표면분

석법이다. X-선 광전자 분광법의 강점인 조성분석뿐

만 아니라 물질의 화학결합 상태 및 산화상태 정보도

XPS의 가장 큰 특징 중 하나이다. 그림 6은 흑린(black

phosphorus)을 산소 분위기에서 자외선을 조사하여 산

화시키고 물로 산화층을 제거하여 흑린을 에칭한 XPS 분

석 결과이다 [5]. 그림 6(a)는 산소분위기에서 UV를 조사

(UVO)한 후 P 2p 피크의 변화를 나타낸 XPS 결과이다.

초기 흑린 샘플에서는 흑린의 P2p의 doublet 피크가 관

찰되고 폭이 넓은 피크가 134.6 eV 에서 관찰된다. 134.6

eV의 넓은 피크는 공기 중 산소에 의한 표면 산화층에 의

한 결과이고 UVO를 처리한 후 산화된 인의 피크가 증가

되는 것을 알 수 있다. UVO 처리 후 물로 흑린을 린스하

면 산화층에 의한 134.6 eV의 넓은 피크가 사라지는 것을

확인할 수 있었다. 또한 그림 6(b)의 O1s 피크에서 532.1

eV와 533.5 eV는 P2O5 샘플에서 관찰된 결과를 바탕으

로 각각 P=O와 P-O-P으로 기인한 것을 알 수 있었다.

UVO를 처리하였을 경우 P2O5 샘플과 같은 산화상태인

것을 확인하였지만 물로 린스하여 산화층을 제거한 후에

는 P=O 결합이 P-O-P보다 더 많이 분포하는 것을 확인

하였다. 이와 같이 XPS는 앞서 소개한 조성분석뿐만 아

니라 다양한 물질들의 산화상태 및 화학결합 상태에 대한

정보를 제공할 수 있는 매우 유용한 분석 기술이다.

[Fig. 5] XPS를 이용한 CIGS 박막의 깊이분포도 결과; (a) CIGS 박막의 XPS 스펙트럼, (b) CIGS 박막 깊이분포도



XPS의 분석 기술의 미래

지금까지 XPS를 이용한 다양한 분석기술에 대해 소

개하였다 (표 1). 최근에는 기존에 개발된 XPS로 분석

하기 어려운 영역까지 그 응용 분석 분야를 확대하고 있

다. XPS의 측정영역을 확대하기 위해 최근 경X-선(hard

X-ray) 광전자 분광법, 대기압 XPS, 및 스핀 분해 XPS

가 개발되고 있다. 기존 X-선 에너지 영역인 20~1500

eV보다 큰 5~10 KeV의 hard X-선을 이용하여 벌크의

감도를 높이고 에너지 분해능을 높이는 hard X-선 광전

자 분광법이 개발되고 있다. 또한 최근에 개발되고 있는

대기압 XPS(ambient pressure XPS) 는 현재 국내에서

도 한국기초과학지원연구원과 포항가속기연구소가 협약

하여 포항가속기 빔라인 건설을 추진하고 있다. 대기압

XPS는 기존 XPS가 초고진공 상태에서만 성분 분석이 가

능한 문제점을 보완해, 유사대기압 수준의 반응환경인 실

제 반응이 일어나는 환경을 구현하면서 실시간으로 물질

의 특성과 반응메커니즘 분석을 수행할 수 있는 혁신적

인 분석기술이다. 그 외 스핀 분해 XPS는 중원자(heavy

atom)로 부터 높은 에너지 또는 낮은 에너지를 갖는 전자

의 스핀-궤도 산란을 검출기를 이용하여 전자 스핀을 분

석할 수 있는 기술로서 현재 데이터 수집시간이 103~104

배 더 필요한 단점이 있지만 자성 시스템의 정보와 화학결

합상태를 동시에 제공할 수 있는 미래 분석기술이다.

2. AFM 기반 분석 기술

미세구조 측정 기술

반도체 산업에서 패턴(pattern)이 작아지고 복잡해 짐

에 따라 미세구조를 정밀하게 측정하고 그로부터 불량 분

석을 위한 정보를 얻어 내는 일은 소자 개발 및 수율 향

[Fig. 6] XPS를 이용한 UVO에 의한 흑린의 산화상태 분석

[Table.1] 측정 방식에 따른 특성 비교

Requirement OM SEM/TEM SPM

Operation air, liquid vacuum air, liquid, UHV

Depth of field small large medium

Lateral resolution 1mm1-5nm: SEM0.1nm: TEM

2-10nm: AFM0.1nm: STM

Vertical resolution N/A N/A0.1nm: AFM0.01nm: STM

Sample Not completely transparentUn-chargeable vacuum compatible thin film: TEM

Surface height ‹ 10mm

Contrast absorption/reflection Scattering/diffraction Tunneling/Force



상에 있어 매우 중요한 역할을 하게 되었다. 그렇기 때문

에 미세 구조 및 형상을 보다 정밀하게 측정하고자 하는

노력들이 반도체 산업에서 이루어지고 있다. 반도체 산업

에서 사용되는 미세구조 측정기술은 크게 빛을 이용한 방

법, 전하를 띤 입자를 이용하는 방법, 그리고 예리한 탐침

을 이용하는 방법으로 나뉠 수 있다. 빛을 이용한 측정 방

법은 속도는 매우 빠르지만 파장에 따른 분해능의 한계를

가지며, 전자나 이온빔을 이용한 방식은 진공이라는 작동

환경과 더불어 전도성이라는 작동 조건으로 인해 부도체

나 고분자 박막 등을 측정하기가 매우 어렵다. 한편 탐침

을 이용한 원자현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)

방법은 상대적으로 다른 측정 기술에 비해 느린 측정 속도

와 탐침의 재현성 문제로 반도체 산업에서 많이 사용되지

못하고 있다.

하지만 반도체 소자가 점점 작아지고 적층 구조의 초박

막 형태가 되면서 다양한 불량들이 새로이 나타나고 있으

며, 그로 인해 기존의 측정 및 분석 방법들과 함께 원자현

미경을 이용한 측정기술들이 점점 더 요구되고 있다.

AFM 분석 기술의 활용: 반도체 산업

반도체 산업에서 원자현미경 기술은 비파괴적으로 미세

구조를 측정하고 물질의 특성을 분석하는데 사용되고 있

다 (그림 7).

(1) Semiconductor Trench 측정 기술

반도체 패턴의 깊이를 측정하는데 가장 많이 사용되

는 방법으로, 반도체 패턴이 폭이 작아지고 깊이가 커지

는 HAR(High Aspect Ratio) 패턴(<1:5)이 되고 패턴 모

양도 라인 뿐 아니라 홀 타입을 가짐에 따라 정확한 깊이

를 비파괴적으로 측정하는 방법이 요구되고 있다. 특히

SE(Spectroscopic Ellipsometry)를 통한 OCD(Optical

Critical Dimension) 방법의 깊이 측정 시 문제점인 하

부 물질의 correlation 부분과 local area의 정확한 값을

원자현미경을 이용해 비파괴적으로 측정할 수 있다. 또

한 기존의 파괴적인 방법으로 패턴의 깊이를 알 수 있는

VSEM(Vertical Scanning Electron Microscopy) 기술

의 보완적이고 대체가 가능하게 된다.

[Fig. 7] (a) 구조물의 깊이 측정 방법 및 이미지 (b) 구조물의 측면 측정 방

법과 이미지

[Fig. 8] FinFET 구조물 필요 측정 모식도 및 전자현미경 이미지



(2) Semiconductor Critical Dimension 측정 기술

CD(Critical Dimension) 측정은 반도체 라인에서

PR(Polymer Resistor) mask의 패턴 측정 부분과 반도

체 소자가 FinFET(Fin Field-Effect Transistor) 구조를

갖게 됨에 따라 FinFET의 전체적인 3D 구조를 측정하는

부분에 사용되고 있다. PR mask는 Photolithography를

통한 반도체 패턴을 만드는 중요한 부분으로, PR pattern

의 깊이 및 너비의 정확한 수치를 모니터링 하는 방법이

필요하다. 하지만 반도체 라인에서 많이 사용하는 CD-

SEM 방법을 이용해서 PR 패턴 측정 시 전자에 의한 PR

burning 및 PR 패턴의 shrinkage 현상이 발생되어 정확

한 패턴을 측정하기 어렵다. 또한 반도체 패턴이 FinFET

구조를 가짐에 따라서 구조물의 옆면이 Transistor의

Source 와 Drain 역할을 함에 따라 Fin의 Top, Middle,

Bottom CD 측정과 함께 Fin의 sidewall roughness 그

리고 angle 을 포함한 전체적인 3D 구조를 측정하는 방법

이 필요하게 되었다. 따라서 이러한 문제점 및 측정에 필

요성에 의해서 원자현미경에 T-shape를 가진 탐침을 사

용하여 패턴의 옆면을 측정 하는 기술이 개발 되어 사용되

고 있다 (그림 8).

(3) Semiconductor Roughness 측정 기술

반도체 박막이 다층 초박막으로 바뀜에 따라 기존의 SE

를 이용해 전체 두께를 보는 방법과 함께 박막의 각 두께

에 따른 local variation를 같이 보면서 공정 관리를 하는

방법이 필요하게 되었다. 박막 표면의 거칠기를 측정하

는 다른 방법과 달리 원자현미경을 이용한 표면 거칠기 측

정 방법은 직접적으로 표면을 측정하기 때문에 가장 신뢰

도가 높고 정확한 방법이다. 하지만 원자현미경을 이용한

신뢰성 있는 표면 거칠기 측정을 하기 위해서는 데이터에

영향을 줄 수 있는 여러가지 노이즈 부분들을 최소로 만드

는 방법이 필요하다. 특히 원자현미경이 반도체 팹이라는

특수한 환경에서 발생되는 많은 노이즈로 인해 정확하고

절대적인 박막표면의 거칠기를 측정하기가 어렵기 때문에

많은 경우 팹에서 측정값의 중심치 변위값을 이용해 박막

의 상태와 공정 변화를 모니터링 하는데 사용되고 있다.

(4) Semiconductor Defect Review 측정 기술

반도체 팹에서 패턴의 이상점을 확인하는 방법으로

[Fig. 9] Bruker의 Peakforce QNM을 이용한 LDPE 샘플의 (a) Height

(b) Modulus (c) Adhesion (d) Dissipation 이미지

[Fig. 10] 원자현미경을 이용한 반도체 칩의 저항성 불량 분석 정량화 방

법 [9]



review SEM을 이용해 defect들의 모양 및 형상을 보고

분리를 하게 된다. 하지만 SEM을 사용한 방식은 PR 패

턴에서 사용할 수 없으며 defect의 모양 역시 이차원으로

보이기 때문에 정확한 모양 및 원인을 알기가 어렵다. 원

자현미경을 이용한 defect 구분 방법은 defect의 이미지

를 삼차원으로 볼 수 있는 것과 함께 FD(Force Distance)

curve를 이용한 defect의 hardness, adhesion, energy

dissipation 등 물성에 대한 특성을 분석을 할 수 있기에

defect이 어떤 공정의 영향으로 생겼는지 분석이 가능할

수 있다. 하지만 반도체 팹에서 defect 분석의 가장 큰 목

적은 많은 불량들을 빠르게 분리 분석하는 것이므로 원자

현미경을 통한 defect 분석시 속도 향상을 위한 다양한 방

법들의 개발이 필요로 한다 (그림 9).

(5) Semiconductor Resistive Failure 분석 기술

반도체 칩이 작아지고 복잡해 지면서 기존의 눈에 보이

는 불량뿐만 아니라, junction leakage, crystal defect

그리고 gate leakage 같은 보이지 않는 불량들로 인해 수

율 향상에 어려움을 겪고 있다. 반도체 팹에서 보이지 않

는 불량 분석으로 사용되는 방법은 SEM의 Brightness

difference를 이용한 PVC(Positive Voltage Contrast)

method가 이용되고 있다. 하지만 SEM을 통한 불량 분

석은 이미지 모양에 따른 불량의 유무만 판단할 수 있고

leakage가 높은 불량들에서 분석이 가능하기 때문에 불

량분석에 한계가 있게 된다. 원자현미경을 이용한 불량

분석은 탐침이 직접 불량 부분에 접촉을 해서 불량의 유무

를 파악하기 때문에 불량에 대한 정확성과 함께 미세한 불

량에 대한 분석이 가능하다. 또한 정량적인 값을 통해 차

후 수율 데이터에 따른 불량 기준선을 만들 수 있기 때문

에 보다 정확한 불량 분석이 가능하게 된다 (그림 10).

(6) 기타 사용될 수 있는 다양한 분석 기술들

반도체 팹에서 직접 사용되고 있지는 않지만 분석실

이나 많은 연구기관에서 원자현미경을 이용하여 다양

한 연구들을 하고 있다. 대표적으로 원자현미경을 이용

하여 반도체 불순물의 양을 볼 수 있는 SCM(Scanning

Capacitance Microscopy) 방법, 표면의 전하량 또

는 유전율을 분석하는 KPFM(Kelvin Probe Force

Microscopy) 방법, Mask PR의 패턴의 강도를 측정하는

LFM(Lateral Force Microscopy) 방법 등이 있다. 하지

만 반도체 팹에서 사용하기 위해서는 측정 방법의 신뢰성

및 재현성이 확보 되어야 하며 필요성에 맞는 기술 및 장

비 개발이 필요로 하게 된다.

AFM 분석 기술의 미래

반도체 산업이 급속도로 발전함에 따라 점점 작아지고

보이지 않는 불량들은 많이 생기면서 원자현미경을 이용

한 측정 방법의 중요성은 점점 커지고 있다. 비록 다른 반

도체에서 사용되는 방식에 비해 느린 측정 속도와 탐침을

이용한 재현성 부분에서 부족함이 있지만, 반도체 산업에

서 필요성이 대두된 만큼 여러 개의 탐침 및 고속 탐침을

이용하는 방법, 탐침을 카본 계열의 단단한 물성으로 제

작하는 방법, 탐침의 마모를 줄이는 측정 방법 등 다양한

방법에서 해결책이 나올 수 있을 것이라 생각된다.

[1] S. Hagstrom, C. Nordling, K. Siegbahn, Z. Physik, 178, 439 (1964); K. Siegbahn, Science, 217, 111 (1981)

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[9] C. Shin et al. “Fast, exact, and non-destructive diagnoses of contact failures in nano-scale semiconductor device using conductive AFM”, Scientific Reports, 3, 2088 (2013).

[10] http://www.nanotools.com/[11] https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-

analysis/atomic-force-microscopes.html

│References│

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반도체 산업에서의 XPS 및 AFM 분석 기술 · PDF file반도체 산업에서의 xps 및 afm 분석 기술 반도체 산업 표면/계면 분석기술의 현재와 미래 25