반도체 Surface Analysis (SA)의 두 번째 이야기

이번 포스팅에서는 첫 번째로 살펴보았던 반도체 표면 분석(Surface Analysis) 외에 어떠한 종류가 있으며 각 종류별 개념이 어떻게 되는지에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

Surface Analysis (SA)의 종류

표면 분석(Surface Analysis)의 또 다른 종류로는 XRF, FE-AES AFM, FTIR, HRXRD 등이 있습니다.

 

 

Surface Analysis (SA) 별 기술 개념

 

반도체-Surface-Analysis

 

XRF

X-선 형광 분광계(XRF)는 고에너지 X-선 또는 감마선을 사용하여 시료를 조사하여 내부 전자와 외부 전자의 에너지 차이를 만듭니다. 에너지 차이에 의해 생성된 X선은 검출기를 통해 수신되며, 이는 원소 분석 및 화학 분석에 사용될 수 있습니다. 시료의 구성 원자의 내부 궤도 전자가 에너지 광전자로 여가 되고, 내부 궤도에 공동이 생성되어 외부 전자가 내부 층의 빈자리를 채우게 됩니다.

 

에너지 준위 간의 에너지 차이로 인해 X-ray Fluorescence (XRF)라고 불리는 특징적인 X-ray가 방출되고 다른 원소들은 다른 에너지 또는 파장을 가진 고유한 X-ray를 방출합니다. 감지기는 이러한 X-ray를 수신하고 계측, 소프트웨어 시스템은 이를 해당 신호로 변환하여 원소 분석 및 화학 분석, 특히 금속, 유리, 세라믹 및 건축 재료 연구뿐만 아니라 지구화학 연구, 포렌식, 전자 제품 품질 관리 (EU RoHS) 및 고고학 분야에서도 사용될 수 있습니다.

휴대용 X선 형광분석기는 휴대할 수 있는 편리함이 있어 신속한 현장 점검에 활용할 수 있으며 경제성과 안전성을 고려하여 고가의 시료나 다루기 어려운 시료에 대한 신속한 분석이 가능합니다. 공항 점검이나 테러방지 보안검색, 제품 진위검사, 환경탐사, 규정에서 요구하는 재료사양, 실시간 품질관리 등에도 활용할 수 있습니다.

 

데스크톱 엑스레이 형광 분광기는 짧은 시간에 작은 면적의 미량 금속이나 박막을 측정할 수 있는 기능을 갖추고 있습니다. RoHS 감지 모드의 경우 형상, 크기, 두께, 위치 보정 기능을 갖춰 측정 정확도를 높이고 표준 곡선을 자동으로 구별하고 선택하는 기능이 있으며 플라스틱용 특수 소프트웨어는 플라스틱을 적용하여 샘플 크기, 두께, 모양, 배치 위치 및 디텍터와의 상대적 위치 차이로 인한 오류를 제거합니다. 내장된 할로겐 프리 표준 Br 및 Cl 보정 라인은 정밀한 정량화가 가능합니다. 

 

샘플 요소의 자동 정성적, 정량적 요소 분석은 금, 니켈, 구리 박막의 코팅 두께를 약 10초 안에 0.2mm x 0.2mm 영역에서 측정합니다. 

XRF분석으로 비접촉 및 비파괴 분석, Mg ~ U 검출 가능 및 액체, 분말 또는 고체를 진행할 수 있습니다
인쇄회로기판 및 태양전지의 빠른 스캔 성분 분석, 금속코팅의 두께해석, PMI, 귀금속, RoHS, 할로겐프리 분석 및 토양, 환경 중금속 분석과 오일 분석도 진행이 가능합니다. 

 

 

FE-AES

전계 방출 오거 전자 현미경(FE-AES)은 5-8 nm 두께의 표면 정보를 수집하여 정성적 및 반정량적 조성 분석을 얻기 위한 표면 민감 도구입니다.

 

JEOL JAMP-9500F는 전계 방출 오거 전자 현미경(FE-AES)으로 반구 에너지 분석기(HSA)가 장착되어 있으며 최적의 전자 에너지 분해능은 0.05%입니다. 또한 시스템의 SEM 공간 분해능력은 오거 매핑의 경우 3 nm와 8 nm입니다.

정성적 및 반정량적 조성 분석을 얻을 수 있으며 게다가, 설치된 이온 스퍼터 건의 도움으로 다층 간의 상호 확산을 분석할 수 있습니다. 또한, 표면 잔류물의 조성 함량을 정기적으로 모니터링하여 오염물의 두께를 평가할 수 있고 데이터베이스의 도움으로, 특히 전이 원소에 대한 화학 상태 분석을 제공할 수 있습니다. 다른 공존하는 화학 상태의 깊이 분포도 얻을 수 있습니다.

FE-AES은 다점 AES 분석, AES깊이프로파일, AES 매핑 분석, 표면청결 모니터링 및 화학적 상태 분석 표면조성 및 반정량적 함량 분석이 가능하며 표면산화물층 두께평가 및 도펀트 분석(Dopant analysis)도 수행될 수 있습니다.

 

 

AFM

AFM(Atomic Force Microscope)은 캔틸레버에 장착된 날카로운 팁/프로브를 사용하여 샘플 표면을 스캔하여 표면 전자 및 자기 특성을 감지합니다. 원자력 현미경(AFM)은 관심 있는 샘플 표면을 스캔하기 위해 캔틸레버에 장착된 날카로운 팁/프로브를 사용하며 스캔 팁을 표면으로 가져옴으로써, 레이저에 의해 빛나는 캔틸레버는 팁 꼭짓점과 표면 사이의 반데르발스 힘에 의해 휘어질 것입니다. 반사된 레이저는 광센서에 의해 감지되고 그 이동 위치는 표면 형태로 변환될 수 있습니다.

 

두 가지 주요 스캐닝 모드, 접촉 및 탭핑은 다른 응용 분야에 널리 채택되었습니다. 시스템의 현재 구성에 기초하여, IC 산업을 위한 추가 응용 분야를 제공하기 위해 스캐닝 커패시터 현미경(SCM)도 수행될 수 있습니다. 여전히, 표면 전자 및 자기 특성을 감지하기 위해 AFM 기술에 기초한 더 많은 응용 분야가 지속적으로 개발되고 있습니다.

 

AFM은 <100um 표면 모폴로지, 조도분석, 로컬 치수 및 높이 측정, 3D 영상 분석 및 박막 표면 구조 또는 결함 분석과 12인치 웨이퍼 분석으로도 수행될 수 있습니다.

 

 

FTIR

FTIR(Fourier-Transform Infrared Spectroscopy)은 비파괴 분석 기술로 투과율/파수 관계로부터 관심 물질의 적외선 관측 특성을 얻을 수 있습니다. FTIR은 간섭무늬를 유도하기 위해 간섭계를 사용하는데, 푸리에 변환 후 적외선 스펙트럼으로 변환될 수 있고 FTIR 분광계는 에너지 준위 간 적외선 흡수에 의한 진동과 회전 에너지 차이를 감지할 수 있습니다.

 

이 기술은 유기 작용기 결정, 정성적 비교, 반정량적 분석, 부무기 작용기 분석 등에 주로 사용됩니다. 일반적으로 감쇠된 전반사 FTIR의 경우 투과 FTIR의 파수는 4000~400 cm-1, 4000~650 cm-1 범위에 속합니다.

FTIR 이 적용되는 분야는 아래와 같습니다.
a) 표면 미상 물질 분석 : 데이터베이스 및 지문 스펙트럼과 비교하여 작용기 결정을 얻을 수 있고 일반적으로 결정을 위한 물질의 크기는 50μm보다 크고 두께는 1μm보다 커야 합니다.
b) 정량적 비교 : 표면 미상 물질은 이미 알려진 물질이나 공정상 의심되는 물질과 정량적으로 비교할 수 있습니다. 동일 시료 또는 표준 시료와 검정 시료의 정상 및 비정상 부위 비교를 수행합니다.

c) 반정량분석 : 반정량적 목적을 달성하기 위해 알려진 농도가 다른 7개의 샘플을 제출되도록 권고합니다.  
d) 매핑 : 작용기의 농도를 분석할 수 있으며, 공간 분포와 함께 국소 스펙트럼도 제공할 수 있습니다.

 

 

HRXRD

고해상도 X-선 회절(High-resolution X-ray Diffraction, HRXRD)은 분말 및 저 각 회절, 결정성 및 결정립 크기 탐색, 화합물 및 박막 검출 농도 등의 다중 기능을 가진 X-선 회절 분석 시스템입니다.

Bruker Discover D8은 다양한 기능을 가진 X-Ray Diffraction 분석 시스템으로 이 시스템에는 분말과 낮은 각도의 회절 외에도 3중 결정 분석기가 있으며, 그의 고해상도는 화합물과 박막의 결정성, 결정립 크기, 조성 및 농도를 탐색하기에 적합합니다. RSM(Recreciprocent-space-mapping) 기능은 결정격자 변형에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.

 

또한 X-Ray Reflection (XRR) 함수에 의해 다층 샘플 상의 막 두께, 거칠기 및 전자 밀도를 측정할 수 있습니다. X-ray 침투 및 반사의 특성은 최대 검출 깊이를 300 nm로 제한하고 거칠기는 5 nm로 제한합니다.

HRXRD는 3 중 3 결정을 이용한 고해상도 XRD 분석, 결정성 분석, 결정립크기분석, 단층/다층 막두께에 대한 XRR 해석, 복합막의 조성분석, 그레이징 각도 회절 분석(GID) 및 분말 X선 회절 분석(XRD), 결정격자 파라미터 분석과 박막상 식별, RSM(Recreative Space Mapping) 분석, 에피택시 분석으로 활용할 수 있습니다.