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Window to the Nano World
보이지 않는 회로를 보다: SEM으로 분석하는 반도체 구조
컴퓨터, 스마트폰, 자동차 전장 등 다양한 산업 분야에서 사용되는 ‘반도체(Semiconductor)’는 전기 신호를 제어하고 처리하여 시스템의 기능과 성능을 구현하는 핵심 부품입니다. 반도체는 사용 목적과 적용 환경에 따라 회로 구조, 집적도, 소재가 정밀하게 설계되며, 육안으로는 구분하기 어려운 미세 패턴과 소자들이 고도로 집적되어 신호 연산과 제어를 수행합니다. 이러한 특성 덕분에 산업 현장에서는 데이터 처리, 전력 제어, 신호 증폭 등 다양한 기능을 안정적으로 구현할 수 있으며, 시스템 전반의 성능 향상과 소형화, 신뢰성 확보에 중요한 역할을 담당합니다.
여기에 더해 주사전자현미경(SEM)을 활용하면 반도체 소자 표면 및 내부 미세 구조를 고해상도로 관찰하여, 광학적으로 확인하기 어려운 미세 패턴 형상, 배선 폭 변화, 계면 결함, 오염 입자 분포까지 정밀하게 분석할 수 있습니다. 또한 SEM 분석은 공정 전·후 또는 신뢰성 시험 전·후의 미세 구조 변화를 비교하여 소자 성능 저하나 불량 발생 원인을 시각적으로 규명하는 데 유리하며, 필요 시 EDS와 결합하면 오염 물질이나 도핑 원소의 조성과 분포를 확인할 수 있어 결함 분석, 공정 조건 최적화, 소재 평가 및 반도체 소자의 신뢰성 향상에 효과적으로 활용될 수 있습니다.
- 시편 전 처리 과정
단계적인 절단 및 연마 공정을 통해 반도체 회로 기판의 배선층과 절연층 계면이 명확히 드러나도록 시편 표면을 평탄화합니다. 전처리 과정에서는 과도한 기계적 하중이나 열 발생을 억제하여 금속 배선의 변형이나 절연막 손상을 최소화하는 것이 중요합니다. 이후 시편을 SEM 스텁(Stub)에 카본 테이프로 안정적으로 고정하고, 비전도성 재료가 포함된 기판 특성을 고려하여 전하 축적을 방지하기 위해 Au 또는 Pt 기반의 이온 스퍼터 코팅을 실시합니다.
Step 1. 시료를 적절한 크기로 절단합니다.
Step 2. 적절한 크기의 필터 시료를 Stub에 부착합니다.
Step 3. 시료의 도전성 확보를 위해 Au로 SPT-20 내에서 이온 스퍼터 코팅을 실시합니다.
- SEM Image
[솔더볼]
[PCB 마운트]
COXEM EM-40을 이용해 가속전압 20 kV, WD 5 mm 조건에서 SE 검출기로 솔더볼이 실장된 PCB를 SEM으로 관찰하였습니다. 그 결과, 솔더볼은 기판 패드 위에 비교적 균일한 구형 형상을 유지하며 접합되어 있었고, 솔더볼과 패드 계면에서는 연속적인 접합 구조가 형성되어 있음을 확인하였습니다. 또한 PCB 표면에는 미세 배선과 패드 구조가 명확히 관찰되었습니다.
- SEM Image
[와이어 본딩]
[기판 단면]
- 다른 시료 이미지
[기판 단면]
[와이어 본딩]
[웨이퍼 기판]
