반도체 재료 분석 방법 Material Analysis(MA)의 종류 및 개념

반도체 재료 분석 방법 Material Analysis(MA)의 종류

 

재료 분석 방법 (MA)의 대표적인 예로는 SEM, TEM, EBSD, EELS 등이 있습니다.

반도체-재료-분석-방법

 

 

 

반도체 재료 분석 방법 (MA)의 종류별 개념 및 이해

 

SEM

 

주사 전자 현미경(SEM)은 고체 시료의 표면 형상과 미세 구조를 검사하는 데 강력하게 사용되며 IC 샘플의 선택된 층을 검사하고 CP(이온 밀링)를 통해 그 단면을 검사하는 데 사용할 수 있습니다. 

SEM의 배율은 최대 수백 수천 배에 이르며 X-선의 에너지 분산 분광기(EDS)의 선택된 추가 구성 요소는 샘플 원소를 반정량적으로 식별하여 재료 구성 및 불순물에 대한 훌륭한 정보를 제공합니다.

SEM은 다양한 시료 표면의 미세 구조에 대한 평면 및 단면 검사, 정밀한 두께 측정을 통한 다층 시료 검사, 시료 원소 분포의 정성적 및 반정량적 분석, 저전압 SEM은 금속 접촉 불량, 누설 및 높은 저항 영역을 찾기 위한 고장 분석에 적용되는 수동 전압 콘트라스트(PVC)에 사용될 수 있습니다.

많은 로컬 SEM 이미지를 글로벌 이미지로 재구성할 수 있으며 이러한 기술은 지연 프로세스와 결합하여 각 IC 층의 글로벌 이미지에 사용할 수 있습니다. 이러한 광학 현미경 이미지를 교차 비교하면 회로 리버스 엔지니어링을 위한 훌륭한 정보를 얻을 수 있습니다.

 

 

 

TEM

투과전자현미경(TEM)은 전자 빔을 사용하여 샘플을 이미지화하여 물질의 미세 구조와 격자 결함을 관찰합니다. 해상도는 0.1nm(원자 단위)까지 내려가며 해상도를 향상하기 위해 SEM 또는 TEM용 전자총의 재료가 교체되어 이전에는 W 필라멘트를 사용했지만 현재는 LaB6 또는 전계방출 팁을 사용하고 있습니다. 새로운 전자총으로 원자 단위의 해상도 이미지를 얻을 수 있습니다.

TEM과 STEM은 SEM보다 공간 해상도가 더 뛰어나지만 종종 더 복잡한 샘플 준비가 필요하며 또한 전자 전류 밀도가 증가하기 때문에 원소 분석을 위한 에너지 분산형 X-선 분광법(EDX)의 능력이 크게 향상될 수 있습니다.  검출 영역이 더 넓은 DEX를 지속적으로 개발하거나 4개의 검출기를 장착하면 검출 한계를 약 0.1%까지 낮출 수 있으며, 이는 오거 전자 분광법(AES)에 가깝고 기존 EDX보다 약 한 단계 개선된 방법입니다.

 

 

EBSD

 

EBSD은 전자빔의 회절을 통해 결정의 방향을 파악하는 강력한 기술입니다. 최근 반도체 업계에서는 미세 구조를 특성화하기 위한 SEM의 액세서리로 EBSD가 큰 관심을 받고 있으며 SEM에 장착된 EBSD는 전자빔의 회절을 통해 결정의 방향을 파악합니다.  

 

시편 표면이 SEM 챔버 내부의 전자빔과 70°의 각도를 이루면 최적의 회절 신호가 수집되고 시편 표면에 전자빔이 가해지면 후방 산란 전자가 형성될 수 있습니다. 이러한 후방 산란 전자에 의한 회절 현상은 시편 표면을 통과하면 키쿠치 선과 패턴을 형성하게 됩니다. EBSD 검출기로 분석된 키쿠치 라인과 패턴에 수반되는 상대 신호와 정보를 통해 각 결정립의 결정 방향을 확인할 수 있습니다. 

결정 방향과 결정립의 회절 상황을 확인한 후에는 경계 특성 분석, 텍스처 조사, 변형률 분석 등의 추가 연구가 가능하고 또한, EBSD가 EDX와 협력하면 상 신성화 및 상 분포에 대한 연구도 가능합니다.

EBSD는 하부 구조 분석, 입자 크기/입자 경계 분포, 결정 방향 분석, 상 식별 및 분포, 변형 및 재결정 구조 분석 및 텍스처 분석과 변형률 분석에 이용됩니다.

EBSD 관련 몇 가지 궁금증과 답변을 확인해 보겠습니다. 

 

 

Q1. EBSD에 허용되는 시료의 크기는 어느 정도인가?
A. 기본적으로 길이, 너비, 높이가 각각 1cm, 1cm, 0.5cm를 넘지 않는 크기만 허용된다. 

Q2. EBSD 분석 전 시편 요구 사항은 무엇인가?
A. EBSD 분석을 위해서는 시편 표면이 충분히 평평한 것이 필수이다. EBSD 이미지 품질은 항상 표면 조건에 따라 높은 의존성을 보인다.

 

Q3. 입자 사이의 모소배향각이 얼마나 작아야 EBSD로 구분할 수 있을까?
A. 0.05°가 이상적인 경우이다.

Q4. 샘플에 EBSD 분석이 필요한 이유는 무엇인가?
A. 결정성 물질을 EBSD로 분석하는 것이 합리적이다. TEM과 SEM은 고해상도로 입자 형태를 관찰하는 데 성공했더라도 입자 크기와 결정 방향의 분포를 정량화할 수 없다.
EBSD는 더 많은 수의 입자를 커버할 수 있는 넓은 스캔 영역의 기능을 가지고 있다. 이 기술은 위상 식별 및 분포, 입자 크기 통계 수집, 입자 간 오정렬을 실현할 수 있다.

 

Q5. EBSD 기술로 구분할 수 있는 최소 입자 크기는 얼마인가?
A. 분석된 입자 크기의 한계는 약 50nm이다. 실제로 시료 표면의 상태는 EBSD 분석에 큰 영향을 미치며 일반적으로 시료 표면의 평탄도가 높은 것이 선호된다.

 

EELS

TEM에 장착된 전자 에너지 손실 분광법(EELS)은 원소의 구성을 분석하는 강력한 기술입니다.
EELS의 에너지 분해능은 1eV 이하이며 TEM의 기능과 결합하면 공간 분해능이 1nm보다 향상될 수 있어서 EEELS/TEM은 성분 분석에 널리 사용되는 기술 중 하나가 되었습니다. EELS의 필터링된 이미징은 Low-k 소재의 층 구조를 분석하는 데 사용되고 있습니다. 

 

 

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