[논문]위상잠금 적외선 현미경 관찰법을 이용한 다층구조 칩의 내부결함 위치 분석

김선진; 이계승; 허환; 이학선; 배현철; 최광성; 김기석; 김건희

doi:10.7779/jksnt.2015.35.3.200

초록
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현대의 컴팩트 반도체 소자들은 정확한 품질검사를 위해 비파괴, 고분해능의 검사 장비가 요구되고 있다. 검사 장비 중 고분해능 적외선 대물렌즈와 적외선 센서로 구성된 초정밀 열영상 현미경은 반도체 내부의 결함에서 발생되는 국소적 열원의 위치와 깊이 정보를 얻는데 유용하게 활용되고 있다. 본 연구에서는 위 상잠금기법이 적용된 적외선열영상 현미경을 이용하여 다층구조로 된 반도체 소자 내부 열원의 위치와 깊이 정보에 대해 분석하였다. 시편은 내부에 3개의 열원을 포함한 TSV(through silicon via technology) 기반 4단 적층구조로서 측정 표면으로부터 열원의 깊이는 $240{\mu}m$이다. 본 실험에서는 위상잠금기법을 통해 시편 내부열원의 위치와 깊이를 정확히 찾을 수 있는 초점면 위치, 노출시간 그리고 위상잠금주파수 등 최적의 조건을 찾고 그 조건에서 적외선 대물렌즈와 시편의 거리 변화에 따른 위상 변이와 깊이 정보에 대한 영향을 알아보았다. 이와 같은 반도체 내부결함에 의한 열원의 위치와 깊이 분석에 대한 연구는 품질검사용 열영상 분석장비 개발에 큰 도움을 줄 것으로 예상한다.

Abstract ▼ AI-Helper

An ultra-precise infrared microscope consisting of a high-resolution infrared objective lens and infrared sensors is utilized successfully to obtain location information on the plane and depth of local heat sources causing defects in a semiconductor device. In this study, multi-layer semiconductor c...

An ultra-precise infrared microscope consisting of a high-resolution infrared objective lens and infrared sensors is utilized successfully to obtain location information on the plane and depth of local heat sources causing defects in a semiconductor device. In this study, multi-layer semiconductor chips are analyzed for the positional information of heat sources by using a lock-in infrared microscope. Optimal conditions such as focal position, integration time, current and lock-in frequency for measuring the accurate depth of the heat sources are studied by lock-in thermography. The location indicated by the results of the depth estimate, according to the change in distance between the infrared objective lens and the specimen is analyzed under these optimal conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

위상잠금 저주파수 (< 3 Hz)조건에서 얻은 진폭이미지를 통해 시편 표면 평면상에서 주기적인 온도 변화가 일어나는 열원의 위치를 찾아냈고 그 x,y 좌표에 해당하는 열원 위치에서 Z축에 해당하는 깊이 정보를 추정하였다. 그리고 적외선 현미경의 초점이 시편 면에 맞추어지지 않았을 때, 어느 정도의 깊이 측정 오류를 주는지에 대해서도 알아보았다. 이러한 실험을 통해 첫 번째 시편에 대한 최적의 측정 조건들을 두 번째 시편에도 적용한 결과 정확한 결함 깊이를 추정하는 측정조건이 같게 나온다는 점을 알 수 있었다.
본 연구에서는 합선, 저항성 불량 등에 의해 국소적 열원을 갖는 다층구조의 반도체 소자들을 위상잠금기법이 도입된 적외선 현미경을 이용해 비파괴적으로 분석한다. 국소적 열원의 평면 위치는 적외선 현미경과 위상잠금 열영상기법에 의해 얻어지는 진폭이미지를 분석하여 알 수 있고 깊이 정보는 위상이미지를 분석한 데이터와 열 전파이론에 의해 구해진다.

제안 방법

실험에 사용된 시편의 열원의 깊이는 240 µm로 설계 제작되었기 때문에 조건 변화에 따른 이론상의 위상값은 예측할 수 있다. 그래서 실험상 측정되는 위상값에 영향을 주는 노출시간과 위상잠금 주파수를 변화시켜 이론상의 깊이를 열전파 이론에 따라 정확하게 측정하는 조건을 찾아보았다.
본 연구에서는 열원의 진원지가 이미 설계 제작된 4단 적층 TSV기반 반도체 시편을 이용하여 3차원적으로 정확한 결함의 위치를 추정하는 실험조건을 찾았다. 위상잠금 저주파수 (< 3 Hz)조건에서 얻은 진폭이미지를 통해 시편 표면 평면상에서 주기적인 온도 변화가 일어나는 열원의 위치를 찾아냈고 그 x,y 좌표에 해당하는 열원 위치에서 Z축에 해당하는 깊이 정보를 추정하였다.
위상잠금 저주파수 (< 3 Hz)조건에서 얻은 진폭이미지를 통해 시편 표면 평면상에서 주기적인 온도 변화가 일어나는 열원의 위치를 찾아냈고 그 x,y 좌표에 해당하는 열원 위치에서 Z축에 해당하는 깊이 정보를 추정하였다.
이 그래프들은 Fig. 4에서 얻은 최적의 실험조건인 노출시간 2 ms, 위상잠금 주파수는 88 Hz에서 1 μm 단위로 위치 변화를 감지할 수 있는 Z축 인디게이터를 이용해 시편과 적외선 현미경 사이의 거리를 변경하여 측정 위상값과 깊이값의 변화를 보았다.
위상잠금 열영상 분석기법은 외부에서 시간에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 에너지를 시편에 인가하거나 시편 내부에서 주기적인 능동적 광열원을 발생시켜 표면에서 방사되는 연속적인 조화함수를 조사한다. 이 열적신호의 조화함수는 적외선 카메라로 검출하게 되고 동시에 시편에 인가한 주기적인 신호와 비교하여 이미지로 영상처리를 한다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시편은 4단 적층의 TSV기반 반도체 소자이며 깊이 240 µm에 3개의 열원이 존재한다.
측정 위상값은 각 열원마다 진폭이미지에서 제일 진폭이 센 픽셀을 찾고 위상이미지에 그 픽셀을 중심으로 9개 픽셀 영역을 정하여 9개 데이터의 평균(mean)을 구하여 얻어졌다 높은 해상도의 열 분포 위상이미지를 얻기 위해 적어도 1000장 이상의 데이터를 누적한다. 많은 데이터를 빠르게 분석하기 위해서는 카메라 프레임 최대속도 100 Hz를 선택한다.

이론/모형

본 연구에서 사용된 고감도·고분해능 열영상 현미경 통합 시스템에서는 위상잠금 열영상 측정 및 분석기법을 적용하기 위하여 디지털 상관함수를 이용하는 알고리즘을 사용하였다.

성능/효과

이러한 실험을 통해 첫 번째 시편에 대한 최적의 측정 조건들을 두 번째 시편에도 적용한 결과 정확한 결함 깊이를 추정하는 측정조건이 같게 나온다는 점을 알 수 있었다. 결론적으로 구성 물질이 같은 다른 시편들에 대해 미리 기준시편에 의해 최적의 측정조건을 알고 있다면 여러 번의 측정 없이 빠르게 결함의 위치를 추정할 수 있다는 가능성을 보았다.
이러한 사실을 봤을 때, 충분한 SNR(signal to noise ratio)을 줄 수 있는 입력 power라면, 깊이 추정 시에 크게 고려하지 않아도 되는 조건이라는 점을 알 수 있다. 실험상 반도체 시편에 큰 무리를 주지 않으면서 좋은 데이터를 얻는 조건은 최대 전류값이 3 mA ~ 30 mA에 해당하는 입력 교류전압값을 선택하면 괜찮다는 점을 알 수 있었다.
3번 열원이 다른 열원보다는 깊이가 더 깊게 추정되는 원인으로는 다른 열원들에 비해 열원을 느리게 확산시키는 물질들이 위로 있거나 공정상의 차이로 1, 2번 저항에 비해 크게 되면서 느리게 열원을 발생시키는 것으로 추정된다. 이러한 결과를 봤을 때, 정확한 깊이 추정을 하는 최적의 조건이 있는 시편에 대해서는 구성 물질이 같은 시편에 대해 여러 번의 추가 실험 없이 최적의 측정 조건을 이용해 결함의 위치를 빠르게 추정할 수 있다는 가능성을 보여준다.
그리고 적외선 현미경의 초점이 시편 면에 맞추어지지 않았을 때, 어느 정도의 깊이 측정 오류를 주는지에 대해서도 알아보았다. 이러한 실험을 통해 첫 번째 시편에 대한 최적의 측정 조건들을 두 번째 시편에도 적용한 결과 정확한 결함 깊이를 추정하는 측정조건이 같게 나온다는 점을 알 수 있었다. 결론적으로 구성 물질이 같은 다른 시편들에 대해 미리 기준시편에 의해 최적의 측정조건을 알고 있다면 여러 번의 측정 없이 빠르게 결함의 위치를 추정할 수 있다는 가능성을 보았다.

후속연구

국소적 열원의 평면 위치는 적외선 현미경과 위상잠금 열영상기법에 의해 얻어지는 진폭이미지를 분석하여 알 수 있고 깊이 정보는 위상이미지를 분석한 데이터와 열 전파이론에 의해 구해진다. 이렇게 3차원적으로 결함 위치를 예측한 데이터를 바탕으로 투과성이 좋은 X-ray를 이용해 시편 내부를 비파괴적으로 볼 수 있도록 할 계획이다. 이와 같이 연구되는 3차원적 결함 분석 방법은 차세대 반도체 소자개발에 있어 많은 공정상 문제를 해결하는데 활용할 것이라 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위상잠금 열영상 분석기법은 시편에 무엇을 인가하고, 무엇을 조사하는가?	위상잠금 열영상 분석기법은 외부에서 시간에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 에너지를 시편에 인가하거나 시편 내부에서 주기적인 능동적 광열원을 발생시켜 표면에서 방사되는 연속적인 조화함수를 조사한다. 이 열적신호의 조화함수는 적외선 카메라로 검출하게 되고 동시에 시편에 인가한 주기적인 신호와 비교하여 이미지로 영상처리를 한다.
	현대의 컴팩트 반도체 소자들은 정확한 품질검사를 위해 어떤 장비가 요구되고 있는가?	현대의 컴팩트 반도체 소자들은 정확한 품질검사를 위해 비파괴, 고분해능의 검사 장비가 요구되고 있다. 검사 장비 중 고분해능 적외선 대물렌즈와 적외선 센서로 구성된 초정밀 열영상 현미경은 반도체 내부의 결함에서 발생되는 국소적 열원의 위치와 깊이 정보를 얻는데 유용하게 활용되고 있다.
	미약한 신호 검출이 어려웠던 열에 의해 방사된 적외선에 대해 최근에는 어떤 분야를 중심으로 응용이 이루어지고있는가?	열에 의해 방사된 적외선은 대기에 의한 산란과 흡 작용이 크기 때문에 미약한 신호를 검출하기가 쉽진 않았다. 하지만 최근 적외선 센서의큰 발전으로 비파괴검사 분야를 중심으로 많은 응용이 이루어지고 있다[1,2]. , 특히 위상잠금 열영상 기법은 주위 환경에 의한 잡음 영향을 효과적으로 제거하면서 비파괴적으로 능동의 광열원을 위치 추적해줄 수 있어 반도체 내부결함에 의한 국소적 열원을 찾는 패키지 반도체 검사 장비에 많이 활용된다[3,4].

참고문헌 (4)

Y. J. Cho, and S. I. Han, "Optimization of lock-in thermography technique using phase image processing," Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 26, No. 5, PP. 25-30 (2012)

원문보기 상세보기
Y. J. Cho, "An exploratory study on the optimized test conditions of the lock-in thermography technique," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 31, No. 2, pp. 157-164 (2011)
C. Schmidt, F. Altmann, R. Schlangen and H. Deslandes, "Non-destructive defect depth determination at fully packaged and stacked die devices using lock-in thermography," 17th IEEE International Symposium on Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits (IPFA), July 5-9, Singapore, pp. 1-5 (2010)
R. Schlangen, H. Deslandes, T. Lundquist, C. Schmidt, F. Altmann, K. Yuc, A. Andreasyan and S. Li, "Dynamic lock-in thermography for operation mode-dependent thermally active fault localization," Microelectronics Reliability, Vol. 50, pp. 1454-1458 (2010)

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