반도체 소자의 미세 움직임을 관측할 수 있는 초고속 카메라
네덜란드의 한 연구 기관에서 진행한 새로운 실험은 Emergent Vision Technologies의 고속 이미지 캡처 기술을 활용하여 새로운 오버레이 계측 개념에서 진동 문제를 완화한다. 무어의 법칙(마이크로칩의 트랜지스터 수가 대략 2년마다 두 배로 증가할 것으로 예측하는 혁신의 초석)을 따라잡기 위해 반도체 산업은 근본적인 한계를 끊임없이 뛰어넘고 있다. 암스테르담에 있는 Advanced Research Center for Nanolithography(이하 ARCNL)는 반도체 산업의 과학적 과제를 해결하기 위해 고군 분투하고 있는 기업이다. 반도체 제조에서는 가장 작은 진동이 수천 달러에 달하는 가공된 웨이퍼를 폐기하는 등 큰 문제를 일으킬 수 있다. 반도체 칩 제조의 미래 기술적 과제를 해결하기 위해, ARCNL은 장비 제조업체가 칩 제조의 정확성을 보장하는 데 필요한 간섭계 기술의 고유한 민감성을 극복할 수 있는 방법을 개발했다.
디지털 홀로그램 현미경
회로 크기가 계속 축소됨에 따라, 디지털 홀로그램 현미경(DHM)이 미래의 오버레이 계측을 위한 유망한 간섭 측정 기술로 부상했다. DHM은 반도체 웨이퍼의 칩 레이어 정렬 정확도를 측정하는데 사용된다. 그러나 이 기술은 기계적 진동과 공기 난류로 인해 이미지 품질을 왜곡하는 바람직하지 않은 위상 변화에 본질적으로 민감하다.
DHM은 실험실 환경에서는 잘 작동하지만, 실제 세계에서 이를 구현하는 것은 까다로울 수 있다고 ARCNL의 연구원이자 Vrije Universiteit Amsterdam의 박사 과정 학생이며 2024년 7월 Optics Express에 게재된 이 연구의 주 저자인 Tamar Cromwijk는 말한다. 실제 세계에서 DHM과 같은 간섭 측정법의 정확도는 진동의 영향을 받는다는 것이다.
Tamar Cromwijk에 따르면, 고성능 생산 환경에서 반도체 웨이 퍼는 계측 도구에서 빠른 속도로 움직이기 때문에 큰 가속도가 발 생하고 가장 큰 진동 문제가 발생한다. 그녀는 “이것은 우리가 해결해야 할 큰 기술적 과제이다. 우리는 가능한 한 빨리 측정을 시작해야 하므로, 기계적 진동이 있는 동안 측정을 시작해야 한다. 이것이 가장 큰 과제이다. 온도 변화와 팬의 움직임과 같은 다른 진동도 이에 영향을 미친다. 이 모든 것이 측정 품질을 저하시키는 전반적인 위상 변화에 기여하고 있으 며, 이것이 바로 우리가 해결하려고 하는 것이다”라고 말했다.
ARCNL은 네덜란드 연구 위원회, 암스테르담 대학교, 자유 대학교, 흐로닝언 대학교와 함께 장비 제조업체와 직접 협력하여 DHM의 한계를 극복할 수 있는 가능성을 모색하고 있다.
<그림1> 나노리소그래피 첨단연구센터(ARCNL)의 연구실에서는 연구원들이 디지털 홀로그램 현미경(DHM)을 사용하는 동안 기계적 진동으로 인한 위상 변화를 추적하고 수정하기 위해 고속 카메라를 사용한다.
고속 카메라로 보정 가능
진동으로 인한 대비 손실을 보정하기 위해 ARCNL 연구원들은 진동의 영향을 보정하는 방법을 개발했다. 고속 카메라를 사용하여 일련의 디지털 홀로그램을 캡처하고 시간의 함수로 진동을 추적 한다. 이 시스템은 노출 사이의 위상 변화를 추적하고 보간함으로써 홀로그램의 이미지 대비 손실을 보정할 수 있다. 궁극적으로, 이것은 더 정확한 오버레이 측정을 위한 향상된 이미징으로 이어 진다.
“시간이 지남에 따라 그 단계를 추적하면 나중에 수정할 수 있다. 그러나 진동 자체보다 더 빠르게 가면 진동이 무엇을 하고 있었는지 추적할 수 있다”라고 Cromwijk는 말한다. 그래서 진동 단계의 행동을 분리하고 추적하기 위해 고속 카메라가 필요한 것이다.
실험용 간섭계 설정과 DHM의 진동 감쇠 설정 모두에서 연구원 들은 ‘HZ-2000-GM’ 100GigE 카메라를 사용한다. 이 카메라는 Emergent Vision Technologies의 Gpixel GSPRINT4502 CMOS 이미지 센서를 탑재했다. 풀 해상도(2048 x 1216 픽셀)에서 카메라는 3462비트 모드에서 8fps, 1782비트 모드에서 10fps 를 달성한다. 이 작업을 위해 연구원들은 1000비트 모드에서 10fps로 카메라를 실행한다.
Tamar Cromwijk은 카메라의 속도와 해상도가 실험에 매우 중요 하다고 말한다. 그녀는 “우리는 250만 화소 센서를 가지고 있는 데, 그 정도로 모든 정보를 읽을 수 있는 기능은 모든 카메라가 할수 있는 것이 아니다. 속도, 작은 픽셀의 해상도, 그리고 단일 버퍼에서 250개의 프레임을 읽을 수 있는 기능 덕분에 꽤 오랫동안 측정할 수 있었다”고 말했다.
Emergent 카메라의 컴팩트한 크기도 중요한 작용을 했다. ARCNL 팀은 다른 고속 카메라를 살펴보았지만, 가격이 비싸고 부피가 컸다는 설명이다.
DHM 설정
ARCNL 연구원들은 먼저 간단한 미켈슨 간섭계 설정에서 진동 감소 기술의 개념을 검증했다. 이 과정에서, 초연속 백색 광원의 빛은 원하는 파장을 얻기 위해 음향 광학 튜닝 필터(AOTF)로 필터링된다. 50:50 빔 스플리터는 632nm 빔을 한쪽 거울로 향하는 조명 빔과 다른 쪽 거울로 향하는 기준 빔으로 나눈다. 첫 번째 거울을 약간 기울여 배치하면 축외 홀로그래피의 프린지 패턴과 유사한 조밀한 프린지 패턴이 만들어진다. 빔 스플리터 너머의 렌즈가 고속 카메라의 거울 표면을 이미지화한다. 팀은 첫 번째 거울을 움직여 광학 경로 길이를 제어하고, 진동을 발생시키기 위해 압전 스택을 추가한다.
초기 검증 후, ARCNL은 전용 테스트 대상에 암시야 오프축 DHM 을 사용하여 오버레이 측정을 수행했다. 이와 유사한 설정에서, DHM은 AOTF에 의해 632nm의 파장과 3nm의 대역폭으로 스펙 트럼 필터링된 광섬유 커플링 초연속 백색광원을 사용한다. 이 경우, 빔의 세기는 90:10 빔 스플리터를 사용하여 각각 조명 빔과 기준 빔을 생성하도록 분할된다. +1 및 -1 회절 순서를 병렬로 수집 하기 위해 두 경로 모두에 비편광 50:50 빔 스플리터가 사용된다. 결국, 일련의 홀로그램이 Emergent 고속 카메라에 의해 포착된다. 각 홀로그램은 연속적인 위상 변화를 감지하기 위해 보간된 위상 프로파일을 생성한 다음, 이것을 사용하여 대비 손실을 계산한다.
HZ-2000-GM은 빠른 속도와 컴팩트한 크기 외에도, 캡처된 데이 터를 실시간 처리를 위해 GPU로 직접 전송할 수 있는 GPUDirect 기술을 통합한다. 이 기능은 대기 시간을 크게 줄이고 데이터 처리 효율을 극대화하며, 이는 카메라에서 생성되는 대량의 데이터에 매우 중요하다.
<그림2> 이 설정에는 초연속 백색광원, 파장 선택을 위한 음광 튜닝 필터(AOTF), 빔을 분할하기 위한 50:50 빔 스플리터, 간섭계 측정을 위한 압전 스택을 통해 진동을 제어 하는 파형 발생기가 포함된다.
고급 이미지 처리 기능
이와 같은 초고속 카메라의 혁신은 미래의 반도체에서 점점 더 작아지는 회로에 필요한 해상도와 여러 색상을 동시에 볼 수 있는더 넓은 파장 범위를 위해 고안됐다고 해도 과언이 아니다. Tamar Cromwijk은 “불투명한 층이 있고 그 아래 격자에서 산란이 매우 약한 경우, 이 홀로그램 기술을 사용하면 기준 빔에 더 많은 빛을 넣을 수 있고 기본적으로 전체 신호를 증폭할 수 있다”라고 설명한다. 현재 100GigE에 초점을 맞추고 있지만, 향후 더 획기적인 발전이 있을 것이라고 Emergent Vision Technologies 관계자는 강조하고 있다.
자료제공: Emergent Vision Technologies(emergentvisiontec.com)
