반도체 칩을 만들 때 우리는 “5nm의 HfO2를 증착했다”고 말합니다. 하지만 그게 진짜 5nm인지 어떻게 알 수 있을까요? 반도체 공정에서 박막(Thin Film)의 두께와 물성을 정확히 측정하는 것(Metrology)은 공정 조건을 잡는 것만큼이나 중요합니다.
이번 글에서는 박막의 두께를 측정하는 방법 중 잘 알려진 광학적 방법(Ellipsometry)과 물리적 방법(Alpha Step)의 원리와, 실무에서 데이터를 해석하는 노하우를 정리해보겠습니다.
1. 빛의 편광 이용: 엘립소메트리 (Ellipsometry)
엘립소메트리(Ellipsometry)는 빛을 이용하여 박막의 두께(Thickness)와 굴절률(Refractive Index, n), 소광계수(k)를 동시에 측정하는 가장 강력하고 정밀한 장비입니다. Sub nm 단위의 초박막도 측정할 수 있어 반도체 양산 라인의 표준 장비로 쓰입니다.
주의사항은, 박막 표면에서 반사된 빛과 박막을 투과하고 기판에서 반사된 빛의 차이를 비교하는 것이기 때문에 빛이 투과되지 않는 금속은 ellipsometry로 계측하기 어렵습니다.
1.1. 작동 원리: 편광(Polarization)의 변화
엘립소메트리는 두께를 직접 재는 것이 아닙니다. “빛이 박막 표면에서 반사될 때 변하는 편광 상태”를 측정합니다.
- 입사 (Incident): 특정한 편광 상태를 가진 빛을 샘플에 쏩니다.
- 반사 (Reflection): 빛이 박막을 통과하고 기판에서 반사되어 나올 때, 막의 두께와 물성에 따라 빛의 위상과 진폭이 바뀝니다.
- 검출 (Detection): 반사된 빛이 타원형(Ellipse)으로 변하는 정도를 분석합니다.
이때 측정되는 핵심 파라미터는 두 가지입니다.
- Psi (Ψ): 반사된 빛(p파와 s파)의 진폭(Amplitude) 비율.
- Delta (Δ): 반사된 빛(p파와 s파)의 위상차(Phase Difference).
1.2. 실무의 벽: 모델링(Modeling)과 피팅(Fitting)
엘립소메트리를 처음 쓰는 연구원이 가장 당황하는 지점입니다. “Start” 버튼을 눌렀는데 두께가 안 나옵니다. 대신 Ψ와 Δ 그래프만 나옵니다. 엘립소메트리는 간접 측정 방식이기 때문에, 측정 데이터를 수학적 모델과 비교하여 역으로 두께를 추산해야 합니다. 이를 피팅(Fitting)이라고 합니다.
- MSE (Mean Squared Error): 내 모델과 실제 측정값이 얼마나 일치하는지를 보여주는 에러 값입니다. 보통 MSE < 5~10 정도면 신뢰할 수 있다고 봅니다.
- 모델 선택 가이드:
- 투명한 박막 (SiO2, SiN): Cauchy Model을 사용합니다. (가장 기본)
- 빛을 흡수하는 박막 (Poly-Si, Metal): Tauc-Lorentz Model이나 Drude Model을 사용해야 합니다.
💡 Pro Tip: 피팅을 해서 MSE가 1.5가 나왔다고 무조건 믿으면 안됩니다. 굴절률(n) 값이 물리적으로 말이 안 되는 수치(예: SiO2인데 n=3.0)라면, 그것은 수학적 우연일 뿐 틀린 결과입니다. 반드시 Reference n값과 비교해야 합니다.
2. 물리적으로 긁어서 두께 측정: 알파 스텝 (Alpha Step)
공식 명칭은 Surface Profiler이지만, KLA Tencor사의 장비 모델명인 Alpha Step(알파 스텝)으로 더 잘 알려져 있습니다. LP판의 바늘처럼 팁이 표면을 긁고 지나가면서 높낮이를 잽니다.
2.1. 작동 원리: 스타일러스(Stylus) 접촉
- 미세한 다이아몬드 팁(Stylus)이 샘플 표면 위에 내려앉습니다.
- 지정된 거리만큼 수평으로 이동하며 표면을 긁습니다.
- 팁의 수직 움직임을 전기 신호로 바꿔 단면(Profile)을 그려줍니다.
2.2. 언제 사용하는가?
엘립소메트리는 평평한 박막의 두께만 잴 수 있지만, 알파 스텝은 단차(Step Height)를 재는 데 특화되어 있습니다.
- Etch Depth: 식각 공정 후, PR(감광제)이 있는 곳과 깎인 곳의 높이 차이를 잴 때.
- Lift-off 후 금속 두께: 금속 전극의 두께를 확인하고 싶을 때.
2.3. 장단점
- 장점: 원리가 직관적이고, 굴절률 같은 광학 상수를 몰라도 됩니다. 금속처럼 불투명한 막도 잴 수 있습니다.
- 단점: 팁이 표면을 긁기 때문에 샘플에 스크래치(Damage)를 줍니다. (PR처럼 무른 막은 파여서 오차가 생김). 수 nm 이하의 초박막은 측정이 어렵습니다.
3. 비교 요약: Ellipsometry vs Alpha Step
어떤 장비를 써야 할지 고민될 때 참고하세요.
| 비교 항목 | Ellipsometry | Alpha Step (알파 스텝) |
| 측정 방식 | 광학적 (비접촉, 비파괴) | 물리적 (접촉, 파괴적) |
| 측정 대상 | 박막 두께, 굴절률, 소광계수 | 단차(Step Height) |
| 적용 물질 | 투명/반투명 박막 | 모든 물질 (금속, PR 포함) |
| 정밀도 | 매우 높음 | 보통 (~ 수 nm) |
| 난이도 | 어려움 (모델링 필요) | 쉬움 (직관적) |
| 한계점 | 금속 두께 측정 불가 | 샘플 손상, 초박막 불가 |
4. 결론: “믿을 수 있는 데이터인가?”
계측(Metrology)은 공정의 눈입니다.
- 투명한 유전체(SiO2, HfO2)를 원자 단위로 정밀하게 계측하고 싶다면 Ellipsometry를 마스터해야 합니다. 특히 MSE 값 줄이기에 집착하기보다 ‘물리적으로 타당한 굴절률인가’를 먼저 의심하는 습관을 가져야합니다.
- 금속 전극(Au, Pt)이나 식각 깊이를 확인해야 한다면 고민하지 말고 Alpha Step을 사용하는 것이 좋습니다.
두 장비의 특성을 정확히 이해하고 상황에 맞춰 교차 검증(Cross-check)할 때, 비로소 여러분의 공정 데이터는 신뢰를 얻을 수 있습니다.
참고: J.A.Woollam
