As the development speed of semiconductor miniaturization processes slows down in the recent ultra-precision industry, the importance of semiconductor packaging is increasing. Heterogeneous integration, which is connecting different types of semiconductors is being used, and there is a demand for measuring the shape of microbumps that perform the connection part. Both a multi-wavelength interferometer that uses four wavelengths as a light source and a phase-shifting interferometer are used to measure the absolute distance of hundreds of micrometer steps with a precision of a few nanometers. However, conventional multi-wavelength interferometer has disadvantages in that measurement resolution is limited by wavelength stability and shape restoration takes a long time. In this paper, improved measurement precision by stabilizing laser diodes of different wavelengths used in multi-wavelength interferometry. This process is based on a femtosecond laser stabilized on Rubidium atomic clocks. Secondly, the shape was restored quickly and precisely by optimizing the data processing method named the exact fraction method. To reduce the data processing time, a tendency proportional to the equivalent wavelength consisting of four wavelength combinations was found and applied to the optimized exact fraction method. Additionally, unlike the existing method that compared each phase error with assumed tolerances, measurement reliability was improved by directly comparing phase errors’ root mean squared values. The multi-wavelength interferometer with stabilized laser diodes and an optimized algorithm improves the resolution to the level of 5 nm and increases the reliability of shape restoration by 20%, and speeds up the data processing time to the level of 300 ns per single pixel. This measurement technology is expected to apply not only to semiconductor packaging but also to ultra-precision industries such as displays.
근래의 초정밀 산업 분야에서 반도체 미세화 공정의 개발 속도가 저하되면서 반도체 패키징의 중요성이 높아지고 있다. 특히 서로 다른 종류의 반도체를 결합하는 이종접합이 사용되고 있고, 연결부를 수행하는 마이크로 범프의 형상측정에 대한 수요가 존재한다. 수백 마이크로미터의 단차를 가지는 마이크로 범프의 단차를 수 나노미터 수준의 정밀도로 절대거리를 측정하기 위해 위상천이 간섭계에 4 개의 파장을 광원으로 사용하는 다파장 간섭계를 접목하였다. 하지만 종래의 다파장 간섭계는 파장의 안정도에 의해 측정 분해능이 제한되어 왔고 형상 복원시간이 오래 걸린다는 단점이 존재하였다. 이에 본 연구에서는 루비듐 원자시계에 안정화된 펨토초 레이저 광빗을 활용하여 다파장 간섭계에 사용되는 서로 다른 파장의 레이저 다이오드를 안정화하여 측정 정밀도를 향상하였다. 또한 간섭계에서 획득한 위상을 바탕으로 형상을 복원하는 방법이었던 합치법을 최적화하여 빠르고 정밀하게 형상을 복원하였다. 빠르게 형상을 복원하기 위해 4 개의 파장 조합으로 이루어지는 등가파장의 길이에 비례하는 경향성을 발견하여 이를 기반으로 참값을 찾는 속도를 최적화하였다. 복원 정밀도의 경우 진동 등의 환경변수에 의해 발생하는 위상 오차들을 각각 허용오차와 비교하던 기존의 방법과 달리 위상오차들의 실횻값을 직접 비교하여 측정 신뢰도를 향상하였다. 안정화된 단색광 레이저와 개선된 알고리즘을 적용한 다파장 간섭계는 분해능이 5 nm 수준까지 향상되고 형상 복원의 신뢰도가 20 % 증가하면서 복원시간은 단일 픽셀당 300 ns 수준으로 빨라지게 된다. 이러한 측정 기술은 반도체 패키징뿐만 아니라 디스플레이 등과 같은 초정밀 산업 분야에서 적용 가능할 것으로 기대된다.
