첨단 결정 방향 측정 시스템을 통한 SiC 제조 혁신

소개

웨이퍼 가공 공정에서 정밀도는 매우 중요합니다. 웨이퍼와 잉곳의 결정 허용 오차는 최신 결정 방향 측정 장비의 발전에 의해 혁신적으로 변화하고 있습니다. 뿐만 아니라, 이러한 정교한 기술들은 연마 및 절단 공정에 정확한 방향 전이를 가능하게 하여, 최신 공정의 품질을 모니터링할 뿐만 아니라 후속 작업으로 정보를 전달합니다. 이러한 품질상의 이점 외에도 단일 와이어 톱 프레임에 많은 잉곳을 정렬할 수 있는 기능으로 공정 도구 사용을 개선하고 생산 속도를 가속화합니다.

결정 방향(crystal orientation)은 잉곳, 웨이퍼 및 형상 결정 응용 분야의 세 가지 특징을 염두에 두고 결합하여 가공 중 실시간 품질 관리를 보장합니다. 이 시스템은 세 가지 주요 가치 요소를 활용합니다.

• 결함/평면 및 웨이퍼/인곳 치수를 위한 광학 측정법
• 결정 축의 기울기, 크기 및 방향을 정밀하게 측정하는 X선 회절(XRD) 알고리즘
• 작업자가 측정된 정보를 공정 도구로 전송할 수 있도록 하는 워크플로에 맞게 조정된 단계

Malvern Panalytical은 학술, 연구 및 산업 환경 전반에 걸쳐 다양한 요구 사항에 맞게 XRD 솔루션을 제공하는 선두 주자입니다. Malvern Panalytical은 일괄 처리를 위한 자동화 기능, 워크플로에 맞게 조정된 샘플 전달, 데이터 제어 및 분석을 위한 사용자 친화적인 소프트웨어 인터페이스 등을 제공합니다. 주요 기능에는 단일 공구에서 연간 100,000개의 웨이퍼를 검사하여 성장, 그라인딩 및 후속 공정 단계 전에 정확한 방향을 보장하는 기능이 포함됩니다. 이 시스템은 결정 품질의 변화와 같은 문제를 해결하고 반도체 제조 설비를 위한 포괄적인 솔루션을 제공합니다.

SIC 웨이퍼 및 프런트 엔드(Frontend) 기술

SiC 디바이스 제조에서 결정 방향이나 웨이퍼 기하학과 공정 도구 참조 시스템 간의 불일치는 최적이 아닌 공정 성능을 초래하거나 심지어 프런트 엔드(Frontend) 에서 실패를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 리소그래피나 이온 주입 공정에서 결정 축에 대한 불일치가 발생하면 디바이스 처리에 문제가 생기고, 이로 인해 MOSFET 제품의 기능성과 수율에 악영향을 미칠 수 있습니다.

MOSFET 공정에서 트렌치는 서로 다른 도핑된 재료를 수용하는 데 중요한 역할을 합니다. Kosugi 등은 웨이퍼 결정 축에 대해 의도적으로 트렌치를 회전시키는 연구를 수행했습니다. 그 후에 이들은 금속-유기 화학-증기 증착을 사용하여 트렌치를 채웠습니다. 이 의도적인 방향 변경은 결정 방향이 장치 성능에 미치는 영향을 탐구하여 기능과 효율성을 개선하기 위한 MOSFET 제조 최적화에 대한 통찰력을 제공합니다.

최근에 결정 방향 측정 시스템이 발전하면서 MOSFET와 같은 고출력 장치의 실리콘 카바이드 웨이퍼 생산에 혁신이 일어나고 있습니다.  선도적인 혁신업체들이 선보인 최첨단 X선 기술과 같은 첨단 시스템은 성장, 그라인딩, 슬라이싱 및 연마를 통해 시드에서 보울과 웨이퍼에 이르는 공정에서 SiC 웨이퍼 및 보울의 방향 및 품질 측정에 있어 타의 추종을 불허하는 정확성과 속도를 제공합니다. 이러한 시스템은 레이저, X선 소스 및 정교한 광학 알고리즘을 조합하여 SiC 웨이퍼의 결정 축 방향, 평탄도 및 에지 프로파일을 안정적으로 결정합니다. 기판 신뢰성은 성공적인 SiC 구현을 위한 첫 번째 단계입니다.

X선 회절

XRD는 물질의 복잡한 조성과 구조를 밝히는 기능을 사용하는 높은 평가를 받는 분석 기법입니다. XRD는 상 조성을 비롯한 다양한 샘플의 물리적 특성을 분석하는 데 활용되는 새로운 비파괴 기법입니다.

웨이퍼 특성 분석의 측면에서 XRD는 오프컷을 비롯한 웨이퍼 표면과 관련된 결정 평면의 방향 결정에 활용할 수 있습니다. XRD 기기는 X선 소스, 샘플 홀더 및 검출기의 세 가지 기본 요소로 구성됩니다. 순서는 소스에서 방출된 X선이 샘플을 비추고 굴절된 다음 검출되는 것으로 시작합니다. 회절 각도를 변경하기 위해 기기를 조작하면 강도 데이터가 수집되고, 이는 후속 분석의 기초가 됩니다.

X선 산란의 범위는 입계각 입사 등의 기법을 사용하여 더욱 확장됩니다. SISSAXS와 GISAXS는 모두 소각 X선 산란 기법입니다. 이러한 방법은 X선 반사측정 및 전체 산란과 함께 물질의 비결정성 성분을 탐구하여 분석 범위를 확장합니다.

XRD는 정밀도 외에도 뛰어난 효율성을 자랑합니다. XRD는 분석 시간이 일반적으로 20분 미만이므로 물질의 특성 분석을 위한 신뢰할 수 있고 신속한 방법입니다. 

또한 분석 소프트웨어가 발전하면서 데이터 분석 프로세스가 최적화되어 현장에서 전문 지식이 부족한 개인이 사용할 수 있습니다. 분석이 자동화되어 전문 지식 없이도 품질 관리를 보장하므로 산업 공정에 유리합니다.

그림 1: 측정 장비의 예 - 정적 회절 설정 

결정 방향 제어: 방위각 스캔 방법 

XRD 방법을 사용하는 전통적인 방식은 효과적이지만 한계가 있습니다. 예를 들어 로킹 곡선 스캔은 정확성으로 유명하지만 기본적으로 느리므로 상당한 시간과 자원이 필요합니다. 반면, 방위각 스캔 방법은 속도와 정밀도 면에서 획기적인 해결책을 제공합니다.

방위각 스캔은 샘플 360° 회전과 강도 피크 기록을 통해 기울기 크기와 방향, 결정 내 평면 방향에 대한 포괄적인 데이터를 10초 이내에 제공합니다. 이 방법은 측정 시간을 크게 줄여줄 뿐 아니라 0.01°까지 정밀도를 높여 탁월한 정확성을 제공합니다.

방위각 스캔 측정의 주요 장점 중 하나는 다기능성과 사용 편의성입니다. 최소한의 구동 부품과 견고한 기기로 이러한 측정은 웨이퍼 생산 공정의 다양한 단계에 원활하게 통합될 수 있습니다. 결정 성장 전 시드 품질 검사부터 그라인딩 및 절단 단계 중 방향 전환에 이르기까지 방위각 스캔 측정은 작업을 간소화하고 최고 수준의 정확성과 품질 관리를 보장합니다.

방위각 스캔 방법은 반도체 생산의 다양한 단계에서 응용할 수 있습니다. 이 방법은 시드 결정의 올바른 방향을 보장하고, 잉곳이 웨이퍼로 정확하게 그라인딩되고 절단되도록 하며, 반도체 재료의 철저한 품질 검사를 지원합니다. Omega Theta 회절분석기 및 Wafer XRD 200/300 고처리량 웨이퍼 계측기와 같은 결정 방향 측정 장치는 반도체 제조 장비에 원활하게 통합됩니다. 이러한 장치는 자동화를 강화하고 전반적인 생산 효율성을 향상시킵니다.

그림 2: 방위각 스캔 원리 

Wafer XRD 200 및 300

XRD 솔루션은 자석과 광학 센서를 사용하여 결정의 방향을 정확하게 측정합니다. 이러한 시스템은 평면과 곡면 모두에서 결정의 방향을 결정할 수 있으므로 그라인딩 및 슬라이싱 공정 최적화에 유용한 데이터를 제공합니다. 이 기술을 절단 및 연삭 기계에 통합함으로써 제조업체는 탁월한 작업 정밀도를 달성할 수 있습니다.

SiC와 같은 소형 결정의 경우, 슬라이싱 공정 간소화를 위해 혁신적인 스태킹 기법이 개발되었습니다. 제조업체는 사인 빔에 여러 개의 결정을 지향적인 방식으로 배열함으로써 슬라이싱 효율성을 크게 높여 생산 기간을 몇 주에서 단 하루로 단축할 수 있습니다.

웨이퍼를 거칠게 절단한 후 정밀 검사 및 품질 관리를 위해 고급 계측 솔루션이 실행됩니다. 레이저 정렬 기능을 갖춘 광학 측정 시스템은 정확한 노치 및 플랫 정렬을 보장하여 인적 오류를 제거하고 일관된 결과를 보장합니다. 또한 고해상도 이미징 기술이 탑재된 매핑 단계를 통해 웨이퍼 표면의 결정 품질 및 방향에 대한 상세한 특성 분석을 수행할 수 있습니다.

고처리량 생산 환경에서 Wafer XRD 200 선별 시스템은 웨이퍼의 신속하고 자동화된 품질 평가를 지원합니다. Wafer XRD 200은 결정 방향 및 기하 구조 매개 변수를 기반으로 웨이퍼 선별을 위해 설계되어 효율성과 정확성의 새로운 기준을 제시합니다.

X선 방향 측정과 광학 센서를 결합한 이 시스템은 25개의 웨이퍼로 구성된 표준 카세트를 불과 10분 만에 분석할 수 있어 효율적인 선별 및 품질 관리 프로세스를 용이하게 합니다.

이 시스템의 완전 자동화된 처리 및 선별 기능은 생산성을 더욱 향상시켜 품질 관리 공정을 간소화합니다. 상세한 데이터 전송 도구를 통해 워크플로에 원활하게 통합되어 MES 및 SECS/GEM 인터페이스와의 간편한 연결을 제공합니다.

Wafer XRD 200에서 제공하는 주요 측정에는 결정 방향, 노치 위치 및 특성, 직경, 플랫 포지션 및 길이, 저항이 포함됩니다. 방위각 스캔의 경우 0.003° 미만의 일반적인 표준 편차 기울기(예: Si(100))를 통해 중요한 측정에 대해 탁월한 정확성을 제공합니다.

이러한 계측 기술의 발전은 반도체 산업을 넘어 항공우주 및 광학과 같은 다양한 응용 분야로 확장됩니다.

다기능성은 실리콘, SiC, 알루미늄 질화물, 알루미늄 산화물(사파이어), 갈륨비소, 석영, 리튬 니오브산염, 바륨 붕산염 등을 비롯한 다양한 물질을 분석할 수 있는 웨이퍼 XRD 200의 특징입니다. 연구 또는 생산 환경에서 수많은 샘플을 쉽고 빠르게 분석하여 실질적인 가치를 더합니다.

Wafer XRD 300은 Malvern Panalytical의 또 다른 최첨단 XRD 모듈로서 300mm 웨이퍼 생산을 위해 맞춤형으로 제작되었으며, 결정 방향과 노치 및 플랫과 같은 기하학적 특징에 대한 정밀한 통찰력을 제공합니다. 독자적인 스캔 기술을 통해 몇 초 이내에 초고속 고정밀 측정이 가능하여 처리량과 생산성을 최적화합니다. MES 및 SECS/GEM 인터페이스에 쉽게 연결할 수 있는 이 모듈은 신규 또는 기존 공정에 손쉽게 통합되므로 계측 요구를 충족하는 다기능의 강력한 솔루션입니다. Wafer XRD 300의 고급 기능으로 웨이퍼 생산을 향상하십시오.

SiC를 넘어선 전망

결정 방향 측정 기술은 실리콘 기반 반도체에만 국한되지 않고 다양한 단결정 물질에 적용됩니다. 이 분야의 발전은 혁신을 주도하고 반도체 제조 공정을 개선합니다. 인화 인듐 레이저와 같은 광전자 에지 이미터 응용 분야에서 결정 방향의 정밀한 측정은 레이저 바를 절단하는 데 중요한 절단면에 평행하게 리소그래피 마스크를 정렬합니다. 

공정 후반부에 발생할 수 있는 잠재적인 장애는 상당한 비용을 초래할 수 있습니다. XXL Si 잉곳 공정에서부터 CaF2 또는 Quartz 기술과 같은 광학 결정 기술에 이르기까지, 다양한 용도는 물질과 장치 특성을 정의하는 결정 이방성으로 연결됩니다. 결정 방향의 정확한 제어는 일관된 속성을 가진 고품질 반도체 재료에 필수적입니다. 

고급 결정 방향 측정 기법을 채택하면 반도체 제조에서 효율성, 정밀도 및 전반적인 품질에서 이점을 얻을 수 있습니다.