사례 연구: 고속 카메라가 반도체 계측의 한계를 넓히는 데 도움이 됨
네덜란드에 위치한 연구 기관의 새로운 실험은 Emergent의 고속 이미지 캡처 기술을 활용하여 새로운 오버레이 계측 개념에서 진동 문제를 완화합니다.
무어의 법칙(마이크로칩의 트랜지스터 수가 약 2년마다 두 배로 증가한다고 예측하는 혁신의 초석)을 따라가기 위해 반도체 산업은 근본적인 한계에 계속 도전하고 있습니다. 이것이 바로 나노리소그래피를 위한 첨단 연구 센터 (ARCNL)은 암스테르담에서 이 산업을 움직이는 극한의 과학적 도전에 참여합니다.
반도체 제조의 세계에서 가장 작은 진동이 가장 큰 문제를 일으킬 수 있습니다. 즉, 수천 달러의 가치가 있는 가공된 웨이퍼를 폐기해야 하는 것입니다. 반도체 칩 제조 분야의 미래 기술적 과제를 해결하기 위해 ARCNL은 장비 제조업체가 칩 제조에서 정확성을 보장하는 데 필요한 간섭계 기술의 고유한 민감성을 극복하는 방법을 개발했습니다.
디지털 홀로그램 현미경의 약속을 이행하다
회로 크기가 계속 줄어들면서 디지털 홀로그램 현미경(DHM)은 미래의 오버레이 계측을 위한 유망한 간섭 측정 기술로 나타났습니다. DHM은 반도체 웨이퍼의 칩 층 정렬 정확도를 측정하는 데 사용됩니다. 그러나 이 기술은 본질적으로 바람직하지 않은 위상 변화에 민감하여 기계적 진동과 공기 난류로 인해 이미지 품질이 왜곡됩니다.
DHM은 실험실 환경에서는 잘 작동하지만 실제 세계에서 구현하는 것은 까다로울 수 있다고 ARCNL의 연구원이자 암스테르담 Vrije Universiteit의 박사 과정 학생이자 이 연구의 주저자인 Tamar Cromwijk는 말합니다. 7월 XNUMX일 Optics Express에 게재된 연구 기사입니다. 그녀는 "실제 세계에서 DHM과 같은 간섭계 방법의 정밀도는 진동의 영향을 받습니다."라고 말했습니다.
크롬베이크에 따르면, 고성능 생산 환경에서 반도체 웨이퍼는 계측 도구에서 빠르게 변하는 속도로 움직이며 이로 인해 큰 가속이 발생하고, 이로 인해 진동에 대한 가장 큰 문제가 발생한다고 합니다.
"이것은 우리가 해결해야 할 엄청난 기술적 과제입니다. 계측을 가능한 한 빨리 해야 하므로 기계적 진동이 있는 동안 측정을 시작해야 합니다. 그래서 그것이 가장 큰 원인입니다." 그녀는 말합니다. 온도 변동 및 팬의 움직임과 같은 다른 진동도 문제에 기여합니다. "이 모든 것이 측정 품질을 저하시키는 전체 위상 변동에 기여하며, 그것이 바로 우리가 완화하려고 하는 것입니다."
ARCNL은 네덜란드 연구 위원회, 암스테르담 대학교, 자유대학교, 그로닝겐 대학교와 함께 장비 제조업체와 직접 협력하여 DHM의 한계를 극복할 수 있다면 잠재력이 있다고 보고 있습니다.
고속 카메라로 보정 가능
진동으로 인해 발생하는 대비 손실을 보정하기 위해 ARCNL 연구원들은 진동의 영향에 대한 고속 계산 보정을 기반으로 하는 방법을 고안했습니다. 고속 카메라를 사용하여 디지털 홀로그램 시퀀스를 캡처하여 시간의 함수로 진동을 추적합니다. 시스템은 노출 간의 위상 변화를 추적하고 보간함으로써 홀로그램의 이미지 대비 손실을 보상할 수 있습니다. 궁극적으로 이는 보다 정확한 오버레이 측정을 위한 향상된 이미징으로 이어집니다.
"시간이 지남에 따라 그 위상을 추적하면 나중에 수정할 수 있습니다. 하지만 진동 자체보다 빠르면 진동이 무엇을 하고 있었는지 추적할 수 있습니다." 크롬위크가 말합니다. "그래서 고속 카메라가 필요한 이유는 진동 위상의 행동을 분리하고 추적하기 위해서입니다."
연구진은 실험적 간섭계 설정과 DHM의 진동 완화 설정 모두에서 다음을 사용하고 있습니다. HZ-2000-GM 100GigE 카메라 Emergent Vision Technologies에서 제작한 Gpixel GSPRINT4502 CMOS 이미지 센서를 탑재했습니다. 전체 해상도(2048 x 1216픽셀)에서 카메라는 3462비트 모드에서 8fps, 1782비트 모드에서 10fps를 달성합니다. 이 작업을 위해 연구원들은 1000비트 모드에서 10fps로 카메라를 실행합니다.
크롬위크는 카메라의 고속과 고해상도가 이 실험에 모두 중요하다고 말합니다. "우리는 2.5메가픽셀 센서를 가지고 있고, 모든 정보를 그렇게 빠른 속도로 읽을 수 있는 능력은 모든 카메라가 할 수 있는 일이 아닙니다."라고 그녀는 말합니다. "속도, 작은 픽셀의 해상도, 그리고 하나의 버퍼에서 250개의 프레임을 읽을 수 있는 능력입니다. 그래서 우리는 꽤 오랜 시간 동안 측정할 수 있습니다."
Emergent 카메라의 컴팩트한 크기도 중요합니다. ARCNL 팀은 다른 고속 카메라를 살펴보았지만, 매우 비쌀 뿐만 아니라 거대했습니다. Cromwijk는 "브레드보드에 넣을 수 없고, 성능을 희생하지 않고도 우리 솔루션이 비용 효율적임을 보여주고 싶습니다."라고 말합니다.
그림 1: 나노리소그래피 고급 연구 센터(ARCNL) 연구실에서 연구자들은 고속 카메라를 사용하여 디지털 홀로그램 현미경(DHM) 중 기계적 진동으로 인해 발생하는 위상 변화를 추적하고 보정합니다.
DHM 설정
ARCNL 연구원들은 먼저 간단한 마이컬슨 간섭계 설정에서 진동 완화 기술의 개념을 검증했습니다. 이 과정에서 초연속 백색 광원의 빛은 음향 광학 조정 필터(AOTF)로 필터링되어 원하는 파장을 얻습니다. 50:50 빔 스플리터를 사용하면 632nm 빔이 한 거울을 향한 조명 빔과 다른 거울을 향한 참조 빔으로 나뉩니다. 첫 번째 거울을 작은 각도로 배치하면 축외 홀로그래피의 프린지 패턴과 유사한 밀도 있는 프린지 패턴이 생성됩니다. 빔 스플리터 너머에서 렌즈가 고속 카메라에 거울 표면을 이미징합니다. 이 팀은 첫 번째 거울을 이동하여 광 경로 길이를 제어하고, 진동을 생성하기 위해 압전 스택도 추가합니다.
그 초기 검증 후, ARCNL은 전용 테스트 대상에서 암시야 오프 액시스 DHM을 사용하여 오버레이 측정을 수행했습니다. 비슷한 설정에서 DHM은 AOTF에 의해 632nm 파장과 3nm 대역폭으로 스펙트럼 필터링된 파이버 결합 초연속 백색 광원을 사용합니다. 이 경우 빔 강도는 90:10 빔 스플리터를 사용하여 분할되어 각각 조명 및 참조 빔을 생성합니다. 비편광 50:50 빔 스플리터는 +1차 및 -1차 회절 차수의 병렬 수집을 위해 두 경로 모두에 사용됩니다.
궁극적으로 일련의 홀로그램이 Emergent 고속 카메라로 캡처됩니다. 각 홀로그램은 검색된 위상을 생성하고, 이는 보간되어 연속적인 위상 변화를 검색한 다음, 대비 손실을 계산하는 데 사용됩니다.
빠른 속도와 컴팩트한 크기 외에도 HZ-2000-GM GPUDirect 기술을 통합하여 캡처된 데이터를 GPU로 직접 전송하여 실시간 처리할 수 있습니다. 이 기능은 대기 시간을 크게 줄이고 데이터 처리 효율성을 극대화하는데, 이는 카메라에서 생성된 방대한 양의 데이터에 매우 중요합니다.
그림 2: 이 설정에는 초연속 백색 광원, 파장 선택을 위한 음향 광학 조정 필터(AOTF), 빔을 분할하기 위한 50:50 빔 분할기, 간섭계 측정을 위한 압전 스택을 통해 진동을 제어하는 파형 생성기가 포함됩니다.
고급 이미징 기능으로 전진
이런 실험은 지난 몇 년 동안 카메라 기술이 발전하지 않았다면 이룰 수 없었을 것입니다. "이것은 10년 전에는 불가능했던 일인데, 그 이유는 카메라에서 읽어낼 수 있는 데이터의 양이 너무 많기 때문입니다." 크롬위크가 말했습니다. "예를 들어, 10년 전에는 한 줄로 같은 작업을 할 수 있었을지 모르지만, 지금은 전체 이미지 필드를 가질 수 있습니다."
실험적 개념은 미래 반도체의 점점 더 작아지는 회로에 필요한 분해능뿐만 아니라 동시에 여러 색상을 볼 수 있는 더 넓은 파장 범위를 위해 설계되었습니다. 세 번째 목표는 약한 대상입니다. Cromwijk는 설명합니다. "예를 들어, 그 사이에 불투명한 층이 있고 아래의 격자에서 산란이 매우 약한 경우 이 홀로그램 기술을 사용하면 참조 빔에 더 많은 빛을 넣을 수 있으며 기본적으로 전체 신호를 증폭할 수 있습니다."라고 그녀는 말합니다.
연구원들은 보다 정밀한 오버레이 계측을 달성하는 데 있어 초기 실험의 성공을 주목하면서, 이 기술에 추가적으로 개선할 수 있는 점도 언급했습니다. Emergent가 기능을 개선하는 것을 계속함에 따라, Cromwijk는 프레임 속도, 픽셀 크기, 비트 심도 등의 개발 상황을 파악하기 위해 카메라 공급업체와 연락을 유지하고 있습니다. 지금은 100GigE에 초점을 맞추고 있지만, Emergent는 아직 끝나지 않았습니다. 2025년에 더욱 획기적인 개발이 있을 것으로 기대하세요.
실험 및 결과에 대한 자세한 내용은 ARCNL의 연구 기사를 읽어보세요.
추가 정보 :
Emergent Vision Technologies의 고속 카메라:
https://emergentvisiontec.com/area-scan-cameras/
