美 AMAT, `냉정하게` 반도체 결함 잡는다…CFE 기술 상용화

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美 AMAT, '냉정하게' 반도체 결함 잡는다…CFE 기술 상용화

디지털데일리 발행일 2023-02-13 17:24:45

김도현

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- GAA·EUV 등 미래 기술 커버
- 차세대 e빔 설비, 삼성전자 등 납품

[디지털데일리 김도현 기자] 반도체 장비 1위 업체 어플라이드머티어리얼즈(어플라이드)가 반도체 검사 분야에서 혁신을 이어간다. 냉전계 방출(CFE:Cold Field Emission) 기술 기반 e빔(전자빔) 시스템 장비가 대상이다.

13일 어플라이드 코리아는 그랜드 인터컨티넨탈 서울 파르나스에서 ‘SEM 비전 G10’과 ‘프라임 비전 10’ 출시 기자간담회를 열었다.

이날 어플라이드 코리아 이석우 기술 담당 총괄은 “반도체 업계에서 요구하는 계측과 검사 수준이 올라가고 있다. 어플라이드는 CFE 기술을 통해 나노미터(nm) 단위 기저부 결함에 대한 검사 및 이미징 작업을 향상시킬 수 있다”고 설명했다.

광학 계측은 크게 옵티컬(광학)과 e빔으로 나뉜다. 옵티컬은 렌즈에 빛을 조사해 반사되는 빛을 통해 반도체 표면을 살핀다. e빔의 경우 ‘컬럼’이라는 사출기를 활용한다. e빔 장비 부품에 높은 전압을 걸어 일렉트론(전자)을 사출하는데 이 일렉트론이 반도체 웨이퍼에 부딪혀 반사된 것을 분석한다.

옵티컬과 e빔은 각각 속도, 정확성이 강점이다. 옵티컬은 한 번에 넓은 영역을 다룰 수 있는 반면 e빔은 좁지만 자세하게 볼 수 있는 특징이 있다.

이 총괄은 “두 기술은 소스와 디펙터 등에서 다르나 원리는 유사하다. e빔이 웨이퍼에 조사되면 하이에너지 백스캐터, 로우에너지 세컨더리 일렉트론이 나온다. 이중 하이에너지가 높이까지 치고 올라와 깊숙한 부분까지 검사할 수 있게 한다”고 이야기했다.

그동안 e빔은 고온전계 방출형(TFE:Thermal Field Emission) 방식으로 사용돼 왔다. TFE는 1500도 이상에서 작동된다.

다만 극자외선(EUV) 노광, 게이트 올어라운드(GAA) 트랜지스터 등 첨단 공정이 도입되면서 기존 공법으로 결함을 검출 및 분류하는데 어려움이 생겼다.

대안으로 떠오른 게 CFE다. TFE는 고온에서 진행돼 일렉트론 수가 많지 않은데다 잘 뭉쳐지지 않아 조사 영역이 넓어진다. 26도 환경에서 이뤄지는 CFE는 일렉트론 수가 많고 조사 영역이 좁아 특정 정밀한 회로 결함 이미지를 얻을 수 있다.

문제는 TFE에서는 불순물이 자동 제거되지만 CFE에서는 불순물이 방출기에 축적돼 전자 흐름을 저해한다는 점이었다. 이에 어플라이드는 초고진공 e빔 컬럼을 개발했다. 극도의 초고진공 환경에서 오염 물질을 현저히 낮추는 특수 개발 챔버 소재와 결합해 완성도를 높였다. 그럼에도 극미량의 잔류 가스가 컬럼에 남을 수 있는데 이는 순환적 자가 세정 프로세스로 해결했다.

이같은 CFE 기술을 바탕으로 만들어진 장비가 SEM 비전 G10과 프라임 비전 10이다. SEM 비전 G10은 nm 이하 이미지 분해능(작은 물체를 구분할 수 있는지에 대핸 수치)과 기존 제품 대비 3배 빠른 이미징 작업을 구현한다. 최신 D램과 낸드플래시 공정을 응용하는 메모리 제조사들이 해당 장비를 사용 중이다.

프라임 비전 10은 3차원(3D) GAA 구조 로직 소자 및 고종횡비(HAR) 메모리 소자 수율(완성품 중 양품 비율)에 영향을 미치는 치명적 결험을 검사한다. TFE 기반 e빔 계측 시스템보다 최대 10배 빠른 속도를 보인다. GAA 기술을 세계 최초 상용화한 삼성전자 등이 이 장비를 쓰고 있는 것으로 추정된다.

지난 2021년 기준 어플라이드는 e빔 시장에서 점유율 50%를 차지했다. CFE 상용화에 성공한 만큼 경쟁사와 격차를 더욱 벌릴 것으로 예상된다.

같은 맥락에서 삼성전자, SK하이닉스 등 대형 고객이 속한 한국 공략도 강화한다. 어플라이드는 지난해 7월 경기도, 산업통상자원부와 연구개발(R&D) 센터 신설을 위한 양해각서(MOU)를 체결했다. 현재 부지 선정 단계다.

박광선 어플라이드 코리아 사장<사진>은 “미국 외 지역에 반도체 전공정 연구소를 짓는 게 처음이다. 대만, 유럽 등에서는 사례가 없고 당분간 계획도 없다”며 “한국에 구축하면 국내 고객들과 유기적으로 일할 수 있게 된다. 단순히 1~2개 공정이 아닌 메모리, 파운드리 등 전반적인 사업에서 협업할 것”이라고 강조했다. 박 사장은 조만간 관련 내용에 대한 발표가 있을 것이라고 예고했다.