반도체 제조 공정에서 사용되는 박막의 두께를 측정하는 것은 매우 중요한 작업이며, 다양한 측정 방법이 존재합니다. 박막은 스퍼터링(sputtering), 화학 증착(chemical vapor deposition), 스핀 코팅(spin coating), 진공 증발(vacuum evaporation), 그리고 화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization)와 같은 다양한 공정을 통해 제조됩니다. 이러한 박막의 두께를 정확하게 측정하기 위해 광학식 측정법, 현미경법, 탐침법, X선 형광분석법, 그리고 RS(resistance sheet) 등을 이용한 측정법이 사용됩니다. 이러한 측정 방법들은 웨이퍼에 손상을 주지 않고 신속하게 두께를 측정할 수 있어야 하며, 측정 과정에서 시간이 오래 걸리지 않아야 합니다.
1. 광학식 측정법
광학식 측정법은 박막의 두께를 측정하는 가장 보편적인 방법 중 하나로, 19세기 말부터 개발되었습니다. 이 방법은 박막 표면과 하부 계면에서 반사된 광들이 간섭을 일으키는 현상을 이용하여 박막의 두께를 측정합니다. 이 방법을 통해 박막의 두께를 앙스트롱(Å) 단위까지 정확하게 측정할 수 있으며, 또한 박막의 조도와 광학적 상수도 함께 측정할 수 있습니다. 광학식 측정법은 박막이 측정에 사용되는 파장 영역에서 투명하고 광 간섭성을 유지할 수 있다면 거의 모든 종류의 시료를 측정할 수 있는 장점이 있습니다. 또한, 다층 박막 구조도 수학적 계산을 통해 각각의 박막 두께를 측정할 수 있습니다. 이 방식은 시료에 영향을 주지 않으며, 비교적 빠른 측정이 가능하여 인라인(in-line) 측정에도 적합합니다.
2. 현미경법
현미경법은 박막의 두께를 측정하는 또 다른 방법으로, 광학계를 이용해 육안으로 측정하거나 전자 또는 원자를 이용해 초고배율의 이미지를 얻어 측정하는 방식입니다. 스캐닝 전자현미경(SEM)과 투과 전자현미경(TEM)이 대표적인 예입니다. SEM은 시료 표면에 특성 X선을 입사시켜 방출되는 광전자의 에너지를 측정하여 시료 표면층의 조성 및 화학적 결합 상태를 분석할 수 있습니다. 이 방법은 절연체 분석에 유리하며, 이온빔을 사용해 시료의 표면을 식각하여 깊이에 따른 분포도를 측정할 수 있습니다. TEM은 고체 상태의 시료를 매우 얇은 박편으로 제작하여 고분해능의 이미지를 얻어내고, 결정 구조를 분석할 수 있으며, 미소영역의 화학적 조성 분석에도 사용됩니다. 하지만 현미경법은 시료를 절단하여 단면을 관찰해야 하는 파괴적인 방법이기 때문에 시간이 소요되며, 시료 가공에 특별한 기술이 요구된다는 단점이 있습니다. 그러나 시료 단면을 직접 확인할 수 있다는 장점이 있어 필요에 따라 사용됩니다.
3. 탐침법
탐침법은 박막 표면에 예리한 흠집이나 단차를 만든 뒤, 매우 미세한 탐침을 사용해 표면을 스캔하면서 탐침의 수직 위치 변화를 측정하여 단차를 계산하는 방법입니다. 이 방법의 장점은 시료나 박막에 대한 사전 정보 없이도 두께를 측정할 수 있으며, 복잡한 구조나 두꺼운 후막도 측정이 가능하다는 점입니다. 그러나 이 방법은 접촉에 따른 면적의 제한, 시료의 손상, 오염 유발 등의 단점이 있으며, 측정 속도가 느리고 측정자의 주관에 따라 오차가 발생할 수 있습니다.
이러한 다양한 두께 측정 방법은 각각의 장단점이 있으므로, 측정 목적과 조건에 맞는 방법을 선택하는 것이 중요합니다.