In the semiconductor industry, technological progress and chip integration improvement are important topics. Existing industrial trends have implemented performance improvement and low-power devices within the same area through the miniaturization of circuit line widths. However, due to a decrease in yield and limitations in scaling due to the short-channel effect, conversion into a three-dimensional structure (3D) that improves performance by connecting cells or chips in a vertical direction occurs in the pre-and post-process. However, as a result of this, the detection of defects in the thickness direction inside the chip is emerging as an important issue as the process complexity improves. In this study, a thickness-resolved transmission optical system was designed to measure the thickness of chips stacked using third harmonic generation (THG), a nonlinear optical phenomenon, and to inspect interface defects. The third harmonic generation is a phenomenon that occurs when a light source with a high peak output, such as a femtosecond laser, is irradiated to a discontinuous point of an optical medium. A system that transmits into the silicon wafer using a light source in the near-infrared band was designed, and the thickness of the silicon wafer was measured with an error within about 100 nm and a repeatability of 9 nm through vertical scanning. An annular beam was used for aberration correction of the transmission system during the measurement process. As an experiment for defect inspection, defects were fabricated at the interface between wafers, and the change in light amount due to the third harmonic wave phenomenon at the corresponding point was confirmed. As a result, it was experimentally confirmed that even a void of about 1 μm in the interface between two wafers can be precisely inspected using third harmonic generation. In addition, a method of measuring the size of the air gap by applying the second harmonic generation was presented. Based on the results, it is expected that third harmonic generation can be used for high-precision and depth-resolved optical technologies required for 3D structural semiconductor measurement in the future.
반도체 산업에서 기술 진보와 칩 집적도 향상은 중요한 화두이다. 기존의 산업 트렌드는 회로 선폭의 미세화를 통해 같은 면적 내에서의 성능 향상, 저전력 소자를 구현해 왔다. 하지만 단채널 효과로 인한 수율 저하와 스케일링의 한계로 인해, 셀이나 칩을 수직 방향으로 연결해 성능 향상을 도모하는 3차원 구조 (3D) 로의 변환이 전공정 및 후공정에서 이루어지고 있다. 하지만, 이로 인해 공정 복잡도가 향상하면서 칩 내부의 두께 방향의 결함 검출이 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 본 연구에서는 비선형 광학 현상인 3차 조화파를 활용해 쌓은 칩의 두께 측정과 계면 결함 검사를 위한 두께 분해형 투과 광학 시스템을 설계하였다. 3차 조화파는 광학 매질의 불연속 지점에 펨토초 레이저와 같이 높은 첨두 출력을 가지는 광원을 조사하게 되면 발생하는 현상이다. 근적외선 대역의 광원을 사용하여 실리콘 웨이퍼 내부로 투과해 들어가는 시스템을 설계하고, 수직 스캐닝을 통해 실리콘 웨이퍼의 두께를 약 100 nm 이내의 오차 및 9 nm 수준의 반복능으로 계측하였다. 계측 과정에서 투과형 시스템의 수차 보정을 위해 환형 빔 (annular beam)을 사용하였다. 결함 검사를 위한 실험으로는 웨이퍼 간 계면에 결함을 모사해 해당 지점에서의 삼차 조화파 현상으로 인한 광량 변화를 확인하였다. 그 결과, 두 웨이퍼 간 접합면에서 약 1 μm 수준의 공극도 삼차 조화파를 이용해 정밀하게 검사할 수 있음을 실험적으로 확인했다. 또한, 이차 조화파를 추가적으로 활용해 공극의 크기를 측정하는 방식을 제시하였다. 해당 결과를 바탕으로, 추후 3D 구조 반도체 계측에서 요구되는 고정밀 및 두께 분해형 광학 기술에 3차 조화파가 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
