IC란?
IC를 만드는 반도체 공정 과정에 대해서 배운다.
IC는 반도체 칩이라고도 하며, 수백만 개의 능동소자(다이오드, 트랜지스터)와 수동소자(저항, 커패시터, 인덕터)들을 Si 웨이퍼 위에 형성하여 이루어진 소자이다.
ex) 마이크로프로세서, 메모리, 증폭기, 발진기, 타이머
IC와 반대되는 개념으로 DC(Discreted Circuit)가 있다.
무어의 법칙
무어의 법칙은 '2년을 주기로 단위 면적당 트랜지스터의 개수가 2배 증가한다'는 개념이다.
현재는 무어의 법칙이 성립하지 않는다. 트랜지스터가 원자, 분자 수준으로 작아져 버렸고, 10nm에는 대략 100개 정도의 분자가 존재하니 더이상 줄이는 것에는 의미가 없는 수준이 되었다.
어찌됐든 이렇게 반도체가 작게 설계될 수 있었던 것은 반도체 미세 공정이 발전한 덕이 크다.
집적도가 커짐에 따라 칩의 온도가 증가하는 문제가 발생한다. 따라서 지금은 쿨링이 중요해진 시점이다.
ex) 온도가 증가 -> ni가 증가 -> 누설 전류 증가 -> 신뢰성 하락
칩에 트랜지스터가 많이 들어갈수록 에너지 소모량 또한 커진다.
따라서 지금은 반도체에서 정통 분야가 아니었던 열전달 분야도 공정 과정에 있어서 중요하게 자리잡고 있다.
집적도를 높이게 된 큰 이유는 대중이 싸고 성능이 좋은 전자제품을 원했기 때문이라고 생각하면 되겠다.
회사들은 가격 경쟁이 중요했고, 가격 대비 성능이 좋은 공정 기술이 필요했다.
Nanoscale imaging and Microscopy
반도체는 더이상 일반현미경으로는 관측할 수 없는 수준까지 작아졌다.
그래서 미세한 것을 보는 학문인 Microscopy가 중요해졌다.
Microscopy를 통해 반도체 제작에 있어서 중요한 재료의 구성성분 등의 물성의 확인을 진행할 수 있다.
이 파트에서는 Microscopy의 대표적인 방법인 SEM, TEM, XPS, XPD 등을 배운다.
분해능(Resolution)
인간의 눈은 한계를 가진다. 볼 수 있는 분해능(Resolution, 서로 떨어져 있는 두 물체를 구별할 수 있는 능력)에 한계가 있다. 또한 색을 인지하는 세포와 빛을 인지하는 세포가 다르다.
색은 가시광선 영역에서만 존재하기 때문에 나노 세계에서는 가시광선이 통과한다.
어떠한 물체를 서로 구분할 수 있다 없다에 대한 기준을 Rayleigh Criterion이라고 한다.
delta x는 구분이 가능한 물체 사이의 최소 미소 거리를 의미한다. 식을 보면 빛의 파장이 짧을수록 즉, 에너지가 큰 빛일수록 물체를 구분지을 수 있는 거리가 최소가 될 수 있음을 알 수 있다.
가시광선을 쓰는 광학현미경보다 짧은 파장의 빛을 쓰는 전자현미경의 해상도가 더 높은 이유를 이 식을 통해서도 알 수 있다.
2eV의 광학현미경을 쓰면 해상도가 대략 300nm이고, 10keV의 전자빔 현미경을 쓰면 해상도가 ~ few nm까지 매우 좋아지게 된다.
SEM vs TEM
A는 옹스트롬(0.1nm, 대략 원자 하나의 지름)이다.
TEM이 SEM보다 더 좋은 분해능을 가지고 있음을 알 수 있다.
SEM
SEM은 주사전자현미경이라고 한다. 집중적인 전자빔으로 주사하여 표본의 상을 얻는 현미경이다. 튕겨 나오는 전자를 관찰하여 imaging한다.
우리가 일반적으로 알고 있는 전자 현미경이며, 가운데에 있는 자석이 전자를 제어한다. 내부는 진공상태이다.
다음은 SEM으로 관찰한 나노 구조들이다.
TEM
TEM은 투과전자현미경이라고 하며, 전자선을 사용하여 시료를 투과시킨 전자선을 전자렌즈로 확대하여 관찰하는 전자현미경이다. 전자선을 사용하기 때문에 진공환경이 필요하고, 어두운 곳에서 동작시킨다. SEM보다 훨씬 비싸다.
TEM이 SEM보다 높은 분해능을 가지기 때문에 더 미세한 구조를 관찰할 수 있다.
coreshell 구조를 보았을 때 SEM보다 외부와 내부가 명확하게 구분되어 관찰됨을 알 수 있다.
SEM과 TEM이 같은 구조를 관찰했을 때 확실히 TEM 쪽이 더 세밀한 관찰이 가능함을 알 수 있다.
그런데 SEM이 더 많이 쓰인다.
왜냐하면 우리는 1nm이하까지 어떤 물질을 보는 경우가 거의 없기 때문이다. 정말 TEM을 써야하는 경우엔 시편 제작도 힘들 뿐더러 TEM을 다룰 줄 아는 전문가가 동행되어야 하기 때문에 굉장히 과정이 복잡하다.
Electron-matter Interactions
전자현미경의 작동원리를 이해하려면 우선 전자와 물질 사이의 상호작용을 알아야 한다.
(전자현미경은 전자를 쓰기 때문)
scattering(산란)이란 직진하여 움직이는 어떤 물질 또는 빛, 소리 등이 어떤 이유로 휘어지는 현상을 말한다.
scattering에는 2가지 종류가 있다.
1) elastic scattering(탄성 산란) - 에너지를 잃지 않고 그대로 갖는 경우(모멘텀은 바뀌나 에너지는 그대로인 경우)
2) inelastic scattering(비탄성 산란) - 전자가 충돌하고 나서 일부 에너지를 물질에게 주는 경우(둘 다 바뀌는 경우)
위 사진은 2)에 해당한다.
안에 있던 전자가 튕겨 나오고 있고, 안으로 진입하는 전자는 복사에너지를 방출하면서 들어간다.
전자가 물질과 상호작용할 때 일어나는 현상들이다.
X-rays: 빛을 받고 에너지가 증가하여 튀어나온 전자다.
Auger electrons: 전자가 강력한 에너지를 갖고 있을 때 추가적으로 새로운 캐리어들을 만든다.
Back scattered electron: 탄성 충돌로 방향만 바뀐 전자다.
Secondary electron: 전자가 원자 내부 전자를 때려서 튀어 나오게 한 전자다. -> inelastic
위는 scattering된 전자들을 모아서 구현한 이미지다. 전자를 감지하는 반도체를 이용하였다.
물질이 다른 형태로 바뀔 때 즉, Grain Boundary를 지날 때 전자 scattering의 변화가 생겨 구분선이 생겼다.
앞서 설명했던 해상도 식이다.
여기서 V는 Accelerating Voltage로 전자의 가속을 의미한다.
V를 크게 가속시키면 파장이 짧아져서 작은 것을 보는 데 도움이 되기는 하지만 어느 정도 한계가 있다.
전자의 scattering을 이용하니 interaction이 심해져서 눈부심이 크게 일어난다. 따라서 오히려 해상도가 낮아진다.
여기서 Accelerating Voltage와 Frequecy는 다른 개념이다.
V는 전자의 속도를 개선하는 것, Freq는 에너지가 높은 빛을 이용하는 것이다.
샘플 준비
- 표면이 절연체인 경우: 전자가 표면에 둥둥 떠서 전자빔이 왔을 때 전자끼리 scattering을 해서 흐려진다. 따라서 표면이 절연체인 경우는 전자현미경으로 관찰하기 어렵다.
- 전도체 샘플로 만드는 방법: 부도체 표면에 굉장히 얇은 금속을 증착하면 표면을 전도체로 만들 수 있다.
- 생물 샘플: 건조, 고정, 냉각 등의 방식으로 샘플을 준비한다.
SEM, TEM, STM, AFM
AFM과 STM도 나노 물질을 시각화하기 위해 쓰이는 현미경이다. 후에 설명한다.
SEM과 TEM은 전자빔을 쏘아서, STM과 AFM은 탐침을 이용하여 물질을 시각화한다.
- Lateral Resolution은 수평으로 얼마나 작은 것을 볼 수 있는지를 나타낸다.
- Vertical Resolution은 수직으로 얼마나 작은 걸 볼 수 있는지를 나타낸다. STM과 AFM은 탐침이라서 이것이 가능하다.
- Magnification은 시각화 하는 형태를 의미한다.
- Sample preparation은 샘플 준비의 난이도를 나타낸다. TEM은 전자가 뚫고 지나가도록 샘플을 자르고 갈아야해서 매우 복잡하다. STM과 AFM은 탐침을 이용하므로 표면이 끈적이지 않아야 한다.
- Environment는 관찰 환경을 말한다. AFM을 제외한 방식들은 모두 진공에서만 진행된다.
- Cross-section Image는 옆면을 관찰할 수 있는지 여부이다.
표를 보면서 어떠한 차이가 있는지 확인한다.
TEM의 샘플을 준비하는 단계인 FIB이다. 전자가 투과할 수 있도록 이온을 시료에 쏴서 깎아버리는 방식이다.
wheel로 먼저 위를 갈아버리고, 후에 이온을 써서 더 얇게 갂는다.
SAED(selected area electron diffraction)
SAED는 특정 지역에서 일어나는 전자 회절 현상을 말한다.
결정성을 갖는 물질은 어떤 전자기빔이 오면 결정에 의해서 특정방향으로 반사가 일어난다. 결정이 아닌 경우는 난반사가 일어난다. 왼쪽과 오른쪽은 TEM을 이용하여 물질의 SAED 현상을 관측한 것이다.
이것을 통해 물질이 얼마나 결정성이 있는지, 결정이 아닌지, 혹은 결정의 크기는 얼마나 큰지 등을 알 수 있다.
SAED는 직접 눈으로 본 것은 아니고 전자의 위치 정보를 계산을 통해 momentum space로 전이하여 도식화한 것이다.
단결정의 경우는 육각형태로 빛이 특정방향으로 쏠림을 알 수 있고, 다결정의 경우는 육각형에 벗어난 점의 개수가 몇 개인지에 따라 결정의 개수가 얼마나 많은지를 특정할 수 있다. 비정질에 가까울수록 grain의 개수가 많아져서 난반사가 많이 일어나 원형으로 나타남을 알 수 있다.
AFM vs STM
AFM과 STM은 탐침을 이용한 물질 관측 방식이다.
AFM
AFM은 반데르발스 힘을 이용한 방식이다. (공유결합이나 이온의 전기적 상호작용이 아닌 분자간, 혹은 한 분자 내의 부분 간의 인력이나 척력)
탐침에 의해 시료 표면쪽으로 끌어당기는 인력이 존재하고, 너무 가까우면 오히려 밀어내는 힘인 척력이 발생한다.
이 인력과 척력이 Cantilever를 휘게 만들고, 이 휘어짐의 정도를 측정하여 시료의 표면 이미지를 그린다.
비접촉 모드 AFM에 대해서 설명하겠다.
Cantilever로 Tip 위에 레이저 빔을 쏴서 떨리게 한다. (고유진동수 부근 진동 - piezo 이용하면 떨림이 발생)
표면의 울퉁불퉁한 정도에 따라 탐침의 움직임이 달라진다.
이로 인해 발생하는 진폭과 위상의 변화를 측정하여 물질을 그려낸다.
비접촉 AFM의 자세한 그림이다. 왼쪽의 보라색은 piezo로 전압을 가해 전자를 주면 압력이 생기는 물질이다.
오른쪽에 있는 photodiode가 반사된 빛을 감지하여 다시 piezo로 feedback을 준다.
AFM에는 비접촉 모드말고 다른 방법이 더 있다.
- Contact Mode: 직접 시료 표면 위를 탐침이 접촉하는 방식이다. 상대적으로 지배적인 척력으로 측정한다. 시료가 단단한 경우에만 사용되며, 탐침과 시료의 손상에 유의해야 한다.
- Non-Contact Mode: 위에서 설명한 비접촉 AFM이다. 탐침 또는 시료의 손상이 없으며 스캔 속도가 빠르다. 시료가 부드러워도 사용 가능한 방법이다.
- 태핑 모드 등이 있다. (STM은 따른 방식이라고 설명)
CNT를 AFM으로 관찰한 사진이다. 당연히 원래 사진은 흑백이고, 컴퓨터를 통해 색을 입힌 것이다.
두 물질은 굉장히 작아서 관찰이 힘든데 AFM을 이용하면 이렇게 작은 물질들도 선명하게 관찰할 수 있다.
STM
STM 또한 뾰족한 탐침을 이용하여 물질을 관측하는 장비로, 전자의 양자역학적 터널링을 이용한다.
전도성 팁을 시료 표면에 아주 가깝게 가져간 상태에서 팁과 시료 사이에 바이어스 전압을 걸어주면 전자가 진공의 에너지 장벽을 꿰뚫고 한 쪽에서 다른 쪽으로 넘어갈 수 있다.
그 결과로 생기는 터널링 전류는 팁의 위치, 가해진 전압, 그리고 시료의 국소상태밀도(LDOS)에 의해 결정된다.
팁 끝으로 시료 표면을 훑으면서 팁과 시료 사이를 흐르는 터널링 전류를 측정하여 표면을 볼 수 있다.
터널링 전류를 측정하는 것이기 때문에 전류가 안 흐르는 절연체는 관찰하지 못하지만 그게 아니라면 엄청 작은 물질을 정확하게 볼 수 있다.
작동모드는 크게 2가지가 있다.
1) 일정한 높이로 표면의 높낮이를 측정 -> 전류 감지, 탐침 그대로
2) 일정한 전류로 탐침을 위아래로 움직임 -> 탐침 높이 감지, 전류 그대로
STM은 굉장히 해상도가 높아서 SEM으로는 주름 수준밖에 안보이는 물질을 원자 구조까지 볼 수 있다.
그 외 다양한 방식들
XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)
XPS는 물질 안에 원소가 각각 얼마나 들어있는 지를 알 수 있는 방법이다.
X-ray를 쏘면 원소마다 중성자 개수와 원자 무게가 다르기 때문에 튀어나오는 전자의 속도나 양, 스펙트럼이 달라진다.
스펙트럼을 관찰하여 얼마나 어느 원소가 들어 있는지를 알 수 있다.
XPS로 측정한 물질의 구성원소 백분율 그래프이다. 산화 규소를 측정한 것인데 C가 높은 것을 보아 탄소로 오염된 물질임을 알 수 있다.
Binding Energy는 전자가 얼마나 원자와 잘 붙어 있으려는지에 관한 에너지이다.
EDS or EDX(Energy-dispersive X-ray spectroscopy)
EDS(or EDX) 방식은 X-ray를 쐈을 때 반응하여 나오는 에너지를 감지하여 어떤 원소가 얼만큼 있는지 또 어디에 있는지를 알 수 있는 방식이다. 어떤 원소인가에 따라 스펙트럼에 나타나는 양과 위치가 다름을 알 수 있다.
XRD(X-ray Diffraction Analysis)
XRD는 TEM에서 SAED를 볼 때와 유사하다. 물질의 결정성이 어떤지, 어떤 방향으로 결정이 형성되었는지를 보기 위해서 쓰는 방식이다. 빛이 투과할 때 얇은 원자 간격의 차이에 따라 빛이 이동하는 경로가 차이나는 것을 이용한다.
Photoluminescence Spectroscopy(PL)
어떤 물질에 에너지를 주면 밴드갭만큼 광자가 튀어나오고 광자를 관측할 수 있다. 특히 직접 밴드갭 물질의 경우, 에너지 차이만큼 광자가 에너지를 갖고 나오기 때문에 에너지의 wave length를 관측하여 그 물질의 밴드갭을 유추할 수 있다. QLED의 원리를 이것을 통해 알 수 있다.
Raman Spectroscopy
Raman spctroscopy는 2차원 소재가 소재가 나오면서 활발히 쓰이게 된 방법이다.
어떤 빛을 쏘고나면 이로 인해 분자의 떨림이 발생한다. 그래서 inelastic scattering에 의해 광자가 튀어나온다.
튀어나오는 광자를 분석하여 물질이 어떻게 생겼는지를 유추할 수 있다.
Raman scattering을 잘 관찰하면 2D 물질의 두께를 확인하는데 도움이 되고, 또 물질이 어떤 원소로 이루어졌는지, 결함이 있는지 등을 확인할 수 있다.