EDS 공정은 반도체 8대 공정 중 검사 및 품질 분석에 핵심적인 역할을 하는 공정입니다.
그만큼 중요하고 정밀한 제어가 요구되는 과정입니다.
따라서 이번 글에서는 반도체 EDS 공정의 5가지 방법론을 알아보겠습니다.
EDS란 무엇인가?
EDS는 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy의 약자입니다.
즉, 에너지 분산형 X선 분광법이라는 뜻입니다.
이는 반도체 공정에서 재료 분석 및 불순물 검출에 사용되는 정밀 분석 기법입니다.
주로 SEM(주사전자현미경)이나 TEM(투과전자현미경)과 결합하여 작동합니다.
특히 시료 표면 또는 단면의 원소 성분을 파악하는 데 활용됩니다.
EDS 공정은 반도체 공정 중 발생할 수 있는 오염, 결함, 재료 불균일성을 분석하는 데 매우 효과적입니다.
2025년 현재는 공정 최적화 및 불량 원인 분석의 핵심 도구로 자리 잡고 있습니다.
1. 표면 분석을 위한 SEM 기반 EDS 활용
가장 일반적인 EDS 활용 방식은 SEM과의 연동 방식입니다.
SEM은 고해상도 이미지를 제공합니다.
동시에 EDS를 통해 해당 이미지의 특정 영역에서 화학 성분 분석이 가능합니다.
이 방식은 웨이퍼 표면의 박막, 금속 배선, 접합부 등을 비파괴 방식으로 분석할 수 있습니다.
비파괴 방식으로 분석할 수 있기에 공정 중에 발생하는 결함 검출과 원인 파악에 매우 유용하다고 할 수 있습니다.
또한 자동 맵핑 기능을 통해 다양한 원소의 분포도를 색상으로 시각화할 수 있습니다.
덕분에 불순물 확산이나 에칭 불균일성 등을 한눈에 파악할 수 있습니다.
2. 크로스 섹션(Cross-section) 분석을 통한 층간 구조 파악
반도체 소자는 다층 구조로 구성되어 있습니다.
따라서 이 층간의 조성 변화는 제품 성능에 큰 영향을 줍니다.
EDS는 크로스 섹션 분석을 통해 각 층의 화학적 조성 및 두께를 정량적으로 평가할 수 있습니다.
이를 위해서는 샘플을 FIB(Focused Ion Beam) 등을 사용해 정밀하게 절단해야 합니다.
그 후 TEM 또는 SEM과 EDS를 결합해 단면 구조를 관찰합니다.
이러한 방법은 특히 레이어 간 금속 확산, 절연층 불균일성, 인터페이스 결함 등을 확인하는 데 아주 적합합니다.
3. 정량 분석 기법의 정확도 향상
현재 상대적으로 낮은 정량 정확도가 EDS의 한계 중 하나로 뽑힙니다.
현재 이를 보완하기 위해 다양한 정량 분석 보정 기법이 활용되고 있습니다.
대표적으로 ZAF 보정이나 표준 샘플을 활용한 외부 기준 비교법이 사용됩니다.
이러한 보정 기법은 신뢰도 높은 데이터의 해석을 가능하게 합니다.
덕분에 실제 공정 조건에 따른 오차를 줄이는 데 기여하고 있습니다.
특히 고객사 품질 기준에 맞춰 데이터를 보고해야 하는 경우에는 정량 분석의 정확도가 매우 중요하게 작용하곤 합니다.
4. 나노스케일 분석을 위한 TEM-EDS 융합 기술
앞으로는 반도체가 점점 더 미세해질 것입니다.
즉 수십 나노 이하 영역에서의 성분 분석이 필요해졌습니다.
이때 TEM(투과전자현미경)은 원자 수준의 해상도를 제공하게 될 것입니다.
이에 EDS를 결합하면 나노 영역의 재료 구성까지도 분석할 수 있습니다.
이 기술은 FinFET, GAA 구조, 3D NAND 등의 첨단 공정에서 층간 재료의 원자적 구성을 파악하는 데 필수적으로 사용됩니다.
다만 샘플 준비가 까다롭고 분석 시간이 길다는 단점도 있습니다.
고성능 분석 장비와 전문 인력이 필요하다는 점은 아직까지도 큰 한계점으로 남아 있습니다.
5. 공정별 모니터링을 위한 EDS 자동화 시스템
EDS 분석을 수작업으로 수행하면 분석 시간이 길어집니다.
또한 결과의 일관성에도 문제가 발생할 수 있습니다.
그러나 최근에는 EDS 자동화 소프트웨어와 인공지능 기반 분석 시스템이 도입되고 있습니다.
이 덕분에 웨이퍼 불량률 분석과 결함 분류를 빠르게 수행할 수 있게 되었습니다.
이때 금속 증착 후나 식각 공정 후와 같은 특정 공정 단계에서의 자동 샘플링 및 분석을 통해 품질 이상 여부를 실시간으로 모니터링할 수 있습니다.
덕분에 수율 향상과 불량 조기 감지에 큰 도움을 주게 되었습니다.
결론
반도체 EDS 공정은 단순한 화학 분석 단계가 아닙니다.
반도체 제조의 전체 공정 품질을 책임지는 핵심 기술입니다.
2025년 현재 SEM이나 TEM과의 융합, 정량 분석 보정, 자동화 시스템 도입 등 다양한 방법론을 통해 발전하고 있습니다.
그 덕분에 분석의 정밀도와 효율성이 크게 향상되고 있습니다.
앞으로는 반도체 공정의 초미세화와 고집적화가 가속화될 것입니다.
동시에 EDS 분석 또한 더욱 정교하고 통합적인 방향으로 발전하고 있습니다.
반도체 산업의 품질 경쟁력은 분석 공정의 고도화에 달려 있다고 해도 과언이 아닙니다.
이러한 반도체 EDS 공정 기술이 더욱 발전하면서 우리의 삶을 보다 윤택하게 만들어 주길 바랍니다.
오늘 글은 여기까지입니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.