비 전공자도 쉽게 이해할 수 있는 반도체 분석 기술 "SEM, TEM, XPS, XRD, SIMS, TOF-SIMS"

반도체 제조를 위해서는 끊임없는 시도와 이에 따른 결과 측정이 반복됩니다. 새로운 소재, 공정이 도입됨에 따라 정밀한 분석이 더욱 중요해지고 있습니다. 이번 피드에서는 반도체 산업에서 사용되는 분석 장치(SEM, TEM, XPS, XRD, SIMS, TOF-SIMS)에 대해 알아보겠습니다.

SEM(Scanning Electron Microscope) : 주사전자현미경

SEM은 고해상도로 시료의 표면 분석, 단면, 두께, 미세 부위 등을 할 수 있는 분석 장비 중 하나입니다. 분석을 통해 물질의 특성을 파악할 수 있으며, 공정의 안정성 및 결함을 판단할 수 있습니다. SEM은 시료 표면에 고속, 고에너지의 전자빔을 이용하여 전자를 충돌시키고, 시료와 충돌된 물질들이 방출되는데 이를 분석하는 장비입니다. SEM에서 사용하는 전자빔은 파장이 아주 짧기 때문에, 광학 현미경보다 고해상도로 시료를 분석할 수 있습니다. 또한, SEM은 약 30 ~5000배까지의 다양한 배율로 분석이 가능하며, 넓은 면적을 낮은 배율로 관찰한 후 특정 부위는 배율을 높여 분석할 수 있습니다.

TEM(Transmission Electron Microscope) : 투과전자현미경

TEM은 고해상도로 시료의 내부 구조를 분석할 수 있는 장비입니다. 나노미터 단위의 크기로 미세한 구조를 관찰할 수 있습니다. TEM은 전자총을 이용해 발사된 전자빔이 시료를 투과, 반사, 굴절된 정보를 종합해 확대된 이미지를 만듭니다. TEM에서도 SEM과 같이 전자빔을 사용하기 때문에, 고해상도로 시료를 분석할 수 있는 장점이 있습니다. TEM은 관찰 및 분석하려는 시료를 수십만 배율 이상으로 확대할 수 있기 때문에, 물질의 격자 구조를 판단할 수 있습니다. 격자 구조 분석을 통해 구조적인 결함을 판단할 수 있어, 반도체 소자를 제작할 때, 결함을 보완할 수 있는 소재나 공정을 개발할 수 있습니다. 이에 따라 반도체 소자의 동작 특성에 안정성을 높입니다. 

XPS(X-ray Photoelectron Spectroscope) : X선 광전자 분광법

XPS는 시료 표면에 X선을 주사하여 방출된 광전자들을 분석하는 장비입니다. 분석하고자 하는 시료의 화학적인 결합, 시료 표면의 조성 상태를 관찰하는 데 사용됩니다. XPS는 주로 박막 분석을 하는 데 사용합니다. 소자의 동작 특성에 따라 박막의 두께를 확인할 수 있고, 소자에 최적화된 박막 두께를 판별할 수 있습니다. 현대에는 XPS를 통해서 반도체 소자 표면 분석뿐만 아니라 시료 표면에 존재하는 오염 및 부식 정도를 분석하여 표면 처리 분야 연구에도 많이 활용되고 있습니다.

 

XRD(X-ray Diffraction) : X선 회절 분석기

XRD는 XPS와 마찬가지로 X선을 사용하여 시료를 분석하는 장비입니다. 차이점으로는 X선을 특정 입사각으로 시료에 주사합니다. 입사된 X선은 시료 표면에서 반사 또는 산란하면서 패턴이 생기게 됩니다. 이러한 패턴을 수집 및 분석하여, 시료의 구성과 재질, 결함 등에 대한 결과를 도출할 수 있습니다. XRD는 다양한 분야에서 활용됩니다. 재료 분야에서는 금속, 세라믹 등의 특성을 파악하고, 전기적인 성질을 최적화하기 위해 사용되며, 나노 기술 개발 분야에서는 원자의 구조, 크기를 정확하게 측정하여, 소재 개발 연구에 활용되고 있습니다. 

SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry) : 이차이온 질량분석기

SIMS는 고에너지 이온빔을 주사하여 시료의 표면에 충돌을 발생시키고, 충돌로 인해 방출된 이온들의 질량을 분석하여 시료를 구성하는 원소를 알아낼 수 있습니다. 이 과정을 거치면서 시료의 표면 상태 및 결함, 시료를 구성하는 원소 및 불순물, 격자 구조 등 여러 정보를 얻을 수 있는 장점이 있습니다. SIMS는 나노미터 수준의 해상도를 갖추고 있어서 미세한 반도체 소자의 구조를 파악하기 용이합니다. 또한, 표면의 화학적 특성, 격자 구조, 두께 등을 분석해 재료 분야에서 신소재 개발 연구에 활용됩니다.

TOF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry) : 비행시간 이차이온 질량분석기

TOF-SIMS는 SIMS와 같이 고에너지 이온빔을 주사하여 시료의 표면에 충돌을 발생시키고, 충돌로 인해 방출된 이온을 분석하는 것은 동일합니다. 하지만, 방출된 이온의 비행시간을 측정하여 질량을 분석한다는 점에서 차이가 있습니다. TOF-SIMS는 SIMS보다 조금 더 정밀하고 해상도가 높아, 더욱 미세 화합물을 분석할 때 용이하다는 장점이 있습니다.

 

용도에 맞춘 분석 장비 사용은 반도체 공정 개선할 수 있고, 불량 및 결함을 검출할 수 있으며, 생산 효율 증대시키고 안정성 또한 확보할 수 있습니다. 앞으로도 소자가 미세화됨에 따라 더욱 정확하고 정밀하게 분석을 위한 연구가 필요할 것입니다. 

"Reflectometer, Ellipsometer : 원리 및 특징" 한 번에 정리 끝

 

반도체 소자 분석 기술 "XPS, XRD, XRR, SR 원리 및 특징"