1. Introduction
일반적인 광학 현미경(Optical Microscope, OM)은 가시광선을 이용한다. 가시광선의 파장은 약 400~700nm인데, 빛의 회절 한계(Abbe's diffraction limit)에 의해 광학 현미경의 분해능은 사용하는 빛의 파장의 절반 수준이 최대다. 즉 가시광선으로는 아무리 잘 만든 현미경을 써도 200~350nm 이하의 구조를 구분해서 볼 수가 없다.
해답은 전자(electron)에 있다. 드브로이(de Broglie) 물질파 이론에 따르면, 모든 입자는 파동 성질을 가지며 그 파장은 $\lambda = \cfrac{h}{p} = \cfrac{h}{mv}$로 표현된다. 전자를 고전압으로 가속하면 운동량이 매우 커지고, 따라서 드브로이 파장이 극도로 짧아진다. 예를 들어 1 keV로 가속된 전자의 파장은 약 0.039nm, 10 keV에서는 약 0.012nm 수준이다. 이는 가시광선 파장의 수만분의 일에 해당한다. 이론적으로는 이 파장에 비례하는 수준의 분해능이 가능하다는 뜻이다.
Scanning Electron Microscope (SEM, 주사전자현미경)은 바로 이 원리를 활용한다. 전자빔을 시료 표면 위에서 주사(scanning)하면서, 전자와 시료의 상호작용으로 발생하는 각종 신호를 검출해 이미지를 구성한다. 결과적으로 수 nm에서 수십 nm 수준의 분해능을 일상적으로 달성할 수 있고, 최신 장비에서는 1nm 이하의 분해능도 가능하다.
SEM은 초점 심도(depth of focus)가 깊은 것이 장점이다. OM은 시편의 높낮이가 약간만 달라도 초점이 틀어지지만 SEM은 시편에 높낮이가 약간 달라도 물체를 구분할 수 있을 정도의 선명도가 나온다. 또 다른 장점으로는 OM에서는 불가능한 추가적인 분석이 가능하다는 것이다. 전자 빔이 시료에 입사하게 되면 전자와 시료를 구성하는 원자 사이에 다양한 상호작용이 발생하는데, 이 과정에서 다양한 전자기파가 방출된다. 이 전자기파들은 시료의 성질에 대한 정보를 담고 있기 때문에, 이들을 활용하여 물리적, 화학적 특성을 조사하는것이 가능하다.
하지만 장점만 있는 것은 아니다. SEM은 본질적으로 전자의 움직임을 이용하므로, 금속과 같은 도체는 전자를 잘 반사해서 밝게 보이고, 전자가 흡수되어도 전도를 통해 곧장 다른 곳으로 빠져나가 이미지 왜곡이 적게 발생한다. 하지만 부도체는 전자빔을 쏘면 전자가 물질 안에 주입된 후 나오질 않는다. 이러한 대전현상(charging)으로 인해 이미지 왜곡을 유발한다. 또한 SEM은 고진공에서만 동작한다. 반도체 공정에서는 웨이퍼 로딩/언로딩 시간이 처리량을 제한하는 요인이 된다.
또한 SEM은 시료 표면에서 발생하는 신호를 검출하므로, 표면 아래 매립된 결함이나 구조를 직접 볼 수 없다. FinFET의 핀 아래, 나노시트 사이, 매립 컨택 내부 등 3D 구조의 내부 상태를 확인하려면 focused ion beam (FIB)로 단면을 잘라낸 뒤 SEM으로 관찰하는 FIB-SEM 조합이 필요하다. 이는 시료 파괴를 수반하는 단점이 있다.
또 다른 단점으로는, 수차 보정이 어렵다는 것이다. 전자현미경은 광원의 파장이 짧아서 이론적으로는 매우 높은 분해능을 구현할 수 있지만, 역설적이게도 회절이 매우 어려워 진다. 또한 전자현미경에 사용되는 전자기 렌즈의 수차는 광학 렌즈에 비해 현저히 떨어진다. 이는 전자기 렌즈는 오목 렌즈를 구현하는 게 불가능하기 때문이다. 다시 말해, 전자 현미경은 오직 볼록 렌즈만 가지고 렌즈의 수차를 조정해야 하며, 그 렌즈들 마저 유리나 플라스틱 같이 형체가 있는 물질이 아니라 전기장이나 자기장 같이 형체가 정해져 있지 않은 에너지를 매우 정밀하게 제어해서 구현해야 한다. 그래서 전자 현미경은 광학 현미경에 비해 좋은 이미지를 얻기 위해 신경써 줘야 할 부분이 더 많다. + Coulomb Repulsion
마지막으로, 전자 현미경에서 촬영되는 원본 이미지는 흑백이다. 우리 눈은 가시광선에 대해서만 빛의 색을 구분할 수 있는데 전자빔의 파장은 그 범위를 아득히 벗어나기 때문이다. 그래서 전자현미경에서 보이는 이미지는 인광판이나 센서에 투영된 이미지를 보는 것이며, 그 물체가 실제로 어떤 색깔을 띠는지는 구분할 수 없다.
아래에서부터는 SEM의 주요 구성요소에 대해 살펴볼 것이다. SEM은 크게 세 가지 주요 부분으로 나뉜다. 전자빔을 만들고 가속하는 전자총, 그 빔을 시료 위에 집속하고 주사하는 전자광학계, 그리고 시료와의 상호작용으로 발생하는 신호를 수집하는 검출계다. 이 세 가지가 진공 챔버 안에서 유기적으로 작동하며 이미지를 만들어낸다.
2. 전자총 (Electron Gun)
전자총은 SEM의 출발점이다. 전자를 방출시키고, 원하는 에너지(가속전압)로 가속하는 역할을 한다. 전자를 방출하는 방식에 따라 크게 세 가지로 나뉜다.
2.1. 열전자 방출형 (Thermionic Emission)
가장 오래된 방식이다. 텅스텐(W) 필라멘트나 LaB6(란타넘 헥사보라이드) 결정을 고온으로 가열해 열에너지로 전자를 방출시킨다. 텅스텐 필라멘트는 구조가 단순하고 저렴하며 내구성이 높다. 다만 방출되는 전자빔의 에너지 분산(energy spread)이 크고(약 1~3 eV), 빔의 소스 크기도 커서 분해능이 상대적으로 낮다. 진공 요구조건도 비교적 낮아($10^{-4}$ Torr 수준) 유지 관리가 쉽다. LaB6 결정은 텅스텐보다 높은 밝기와 낮은 에너지 분산(약 0.5~1 eV)을 제공한다. 가격은 더 비싸고, 텅스텐보다 더 좋은 진공(10⁻⁶ Torr 수준)을 필요로 한다. 분해능과 비용 사이의 중간적 선택지로 많이 사용됐다.
2.2. 전계방출형 (Field Emission, FE)
현재 고분해능 SEM의 표준으로 자리 잡은 방식이다. 뾰족하게 연마된 텅스텐 팁(곡률 반경 수십~수백 nm)에 강한 전기장을 가하면, 양자 터널링 효과에 의해 열에너지 없이도 전자가 방출된다. 소스 크기가 매우 작고(5nm 수준), 에너지 분산도 극히 작아(0.2~0.3eV) 매우 밝고 coherent한 전자빔을 만들 수 있다. 전계방출형은 다시 두 가지로 나뉜다.
콜드 FEG(Cold Field Emission Gun): 팁을 가열하지 않고 실온에서 전계방출을 이용한다. 에너지 분산이 가장 작고(0.2eV 수준) 분해능이 최고 수준이다. 다만 팁 표면에 잔류 가스가 흡착되어 방출 전류가 시간에 따라 불안정해지는 단점이 있어, 초고진공(UHV, $10^{-10}$ Torr 수준) 환경이 필요하고 주기적인 플래싱(flashing, 팁을 순간 가열해 흡착층 제거)이 필요하다.
쇼트키 FEG: 팁을 약 1800K로 가열하면서 동시에 전기장을 가해 방출을 촉진한다. 콜드 FEG보다 에너지 분산이 약간 크지만(0.3~0.7 eV), 방출 전류가 더 안정적이고 필요 진공도가 다소 낮다($10^{-8}$ ~ $10^{-9}$ Torr). 현재 반도체 산업용 고분해능 SEM(CD-SEM, Review SEM 포함)의 대부분이 이 방식을 채택한다. 반도체 공정 계측/검사 장비에서 전계방출 방식이 지배적인 이유는 명확하다. 분해능이 좋고, 저가속전압에서도 충분한 전류(brightness)를 유지할 수 있으며, 빔 직경을 작게 만들 수 있기 때문이다.
전자빔은 에너지를 시료에 전달하며 다음과 같은 손상을 유발한다.
- CD shrinkage: 레지스트 패턴이 전자빔 조사로 수축하는 현상. 1회 측정만으로도 수 nm 변화가 생길 수 있어 반복 측정이 어렵다.
- 탄소 오염(contamination): 잔류 탄화수소가 빔 조사 영역에 침착되어 실제 패턴 치수를 왜곡한다.
- 전하 축적(charging): 절연성 시료에서 전하가 쌓여 이미지 왜곡 및 추가 손상을 유발한다.
3. 전자광학계 (Electron Optics)
전자총에서 방출된 전자빔은 그 자체로는 너무 넓어서 직접 사용할 수 없다. 시료에 집속되어 도달하는 빔 직경(probe size)을 최소화해야 고분해능 이미지를 얻을 수 있다. 이 역할을 하는 것이 전자광학계다.
3.1. 집속 렌즈 (Condenser Lens)
전자총에서 나온 빔을 1차적으로 수렴시켜 빔의 직경을 줄이는 역할이다. SEM에는 보통 1~2개의 집속 렌즈가 있다. 가속된 전자는 전하를 띠므로, 전자기 코일(electromagnetic coil)에 전류를 흘리면 형성되는 자기장이 전자의 경로를 굴절시켜 렌즈 역할을 한다. 광학 렌즈가 빛을 굴절시키는 것과 원리적으로 같지만, 매체 대신 자기장을 이용한다.
3-2. 대물 렌즈 (Objective Lens)
시료 바로 위에 위치하며, 전자빔을 최종적으로 시료 표면에 최소 직경으로 집속하는 가장 중요한 렌즈다. 대물 렌즈의 품질과 수차(aberration)가 최종 분해능을 결정한다. 전자 렌즈는 광학 렌즈와 달리 구면수차(spherical aberration, Cs)와 색수차(chromatic aberration, Cc)를 피하기 어렵다. 구면수차는 개구각(aperture angle, α)의 세제곱에 비례하고, 색수차는 에너지 분산에 비례한다. 따라서:
- 구면수차를 줄이려면 개구각을 작게 해야 한다 → aperture 사이즈를 줄임
- 색수차를 줄이려면 전자원의 에너지 분산이 작아야 한다 → FEG가 유리한 이유
- 작동거리(WD, Working Distance)를 짧게 하면 수차가 줄어든다
최근에는 구면수차 보정기(Cs corrector)를 장착한 SEM이 등장해 분해능을 비약적으로 높이고 있다. 이는 특수한 다극 렌즈(multipole lens)를 이용해 대물 렌즈의 구면수차를 능동적으로 상쇄하는 장치다.
3.3. 편향 코일 (Scan Coil / Deflection Coil)
집속된 전자빔을 시료 표면 위에서 x-y 방향으로 래스터(raster) 주사하는 역할을 한다. 편향 코일에 시간에 따라 변하는 전류를 흘려 자기장을 만들면, 전자빔이 원하는 위치로 굴절된다. 이 주사 신호와 검출기에서 들어오는 신호를 동기화함으로써 2차원 이미지를 구성한다.
3.4. 조리개 (Aperture)
빔 경로 중간에 위치하는 작은 구멍이 뚫린 금속판이다. 렌즈 중심부를 통과하는 전자만 선별함으로써 구면수차를 줄이는 역할을 한다. 조리개 크기가 작을수록 수차는 줄어들지만, 동시에 시료에 도달하는 전류량도 줄어든다. 분해능(작은 조리개)과 신호 강도(큰 조리개) 사이의 트레이드오프다.
4. 전자-시료 상호작용 (Electron-Specimen Interaction)
SEM의 핵심은 전자빔이 시료와 만날 때 무슨 일이 일어나는가를 이해하는 것이다. 가속된 전자가 시료 표면에 입사하면 다양한 종류의 신호가 발생하는데, 이 신호들은 각각 다른 종류의 정보를 담고 있다.
4.1. 상호작용 부피 (Interaction Volume)
전자빔이 시료에 입사하면, 전자는 시료 내부에서 여러 번의 탄성/비탄성 산란을 거치며 점차 에너지를 잃고 방향을 바꾼다. 이 과정이 일어나는 공간적 범위를 상호작용 부피라 한다. 그 형태는 전구 혹은 배 모양으로, 깊이와 폭이 수백 nm에서 수 μm에 이를 수 있다. 상호작용 부피의 크기는 가속전압이 높을수록, 시료의 원자번호(Z)가 낮을수록 커진다. 반대로 가속전압을 낮추면 상호작용 부피가 작아지고, 이는 더 표면에 가까운 영역의 정보만을 담은 신호를 얻을 수 있음을 의미한다. 반도체 공정에서 저전압 SEM이 중요한 이유 중 하나다.
4.2. 2차 전자 (Secondary Electrons, SE)
1차 전자빔이 시료 내 원자와의 비탄성 충돌을 통해 원자에서 방출시키는 저에너지 전자다. 에너지가 매우 낮아(대부분 50eV 이하, 주로 0~10eV) 시료 표면에서 불과 수 nm 깊이에서 발생한 것만 표면 밖으로 탈출할 수 있다. SE가 SEM에서 가장 중요한 신호인 이유는 바로 여기에 있다. 탈출 가능한 깊이가 극히 얕기 때문에, SE 신호는 표면 형태(topography)에 매우 민감하다. 시료 표면에 돌출부나 모서리가 있으면 SE가 더 많이 방출되어 밝게 보이고, 함몰부나 평탄면은 어둡게 보인다. 이 때문에 SE 이미지는 직관적으로 시료의 3차원적 형태를 보여준다. SE의 검출에는 주로 Everhart-Thornley 검출기(ET detector)가 사용된다. 양전압이 걸린 집전 그리드(collector grid)로 SE를 끌어당기고, 신틸레이터(scintillator)에서 빛으로 변환한 뒤 광전자증배관(PMT)으로 전기 신호를 증폭하는 방식이다.
SE는 발생 메커니즘에 따라 SE1과 SE2로 구분된다. SE1은 1차 전자빔이 시료 표면에 직접 충돌하여 발생하는 SE다. 발생 위치가 빔 입사점 바로 근방으로 한정되므로, 빔 직경에 가까운 공간 분해능을 가진다. SEM 이미지의 분해능을 결정하는 신호가 바로 SE1이다. SE2는 1차 전자빔이 시료 내부를 진행하며 발생한 BSE가 시료 밖으로 탈출하는 과정에서 2차적으로 만들어내는 SE다. BSE는 발생 위치가 1차 빔 입사점에서 수백 nm까지 벗어날 수 있으므로, SE2도 따라서 넓은 영역에서 발생한다. 이로 인해 SE2는 SE1보다 공간 분해능이 낮고, 이미지에 배경 노이즈처럼 작용한다. ET detector는 SE1과 SE2를 구분 없이 모두 수집한다. 반면 in-lens 검출기는 렌즈 자기장으로 SE1을 선택적으로 수집하는 데 유리해, 저전압 고분해능 이미징에서 in-lens가 선호되는 핵심 이유가 바로 SE2 억제에 있다.
4.3. 후방산란 전자 (Backscattered Electrons, BSE)
1차 전자빔에서 시료 내 원자핵과의 탄성 충돌(또는 다중 산란)을 거쳐 시료 바깥으로 다시 방출되는 고에너지 전자다. 에너지가 높아(1차 전자 에너지의 50% 이상) 상호작용 부피의 더 깊은 곳에서도 탈출할 수 있다. BSE의 가장 중요한 특성은 원자번호 의존성이다. 원자번호(Z)가 높은 원소일수록 BSE 방출 확률(BSE coefficient, $\eta$)이 높아 더 밝게 보인다. 이를 이용하면 시료의 화학 조성 분포(조성 대비)를 시각화할 수 있다. 반도체 소자에서 금속 배선(Cu, W, Co 등)과 절연막(SiO₂, low-k)의 대비를 보는 데 유용하다. 다만 BSE는 탈출 깊이가 깊어 SE에 비해 공간 분해능이 떨어진다. 형태 정보보다는 조성 정보를 얻는 데 주로 활용된다.
4.4. 특성 X선 (Characteristic X-rays)
1차 전자가 시료 원자의 내각 전자를 이온화시키면, 외각 전자가 빈 자리를 채우면서 특정 에너지의 X선이 방출된다. 이 에너지는 원소마다 고유하므로, X선 에너지 스펙트럼을 분석하면 시료의 원소 조성을 정량적으로 알 수 있다. 이 분석 기법을 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 또는 EDX라 한다. SEM에 EDS 검출기를 장착하면 형태 이미지와 원소 분포 맵을 동시에 얻을 수 있어, 반도체 소자의 공정 분석에서 매우 강력한 도구가 된다.
4.5. 오제 전자 (Auger Electrons)
특성 X선 대신 여기된 에너지가 다른 전자를 방출하는 데 쓰일 수도 있는데, 이렇게 방출된 전자를 오제 전자라 한다. 에너지가 수십~수천 eV로 낮아 시료 표면 1~3nm 깊이에서만 탈출 가능하므로, 표면 원소 분석에 특화된 기법(AES, Auger Electron Spectroscopy)에 활용된다.
5. 검출계 (Detector System)
5.1. Everhart-Thornley 검출기 (ET Detector)
앞서 언급한 가장 전통적인 SE 검출기다. 집전 그리드, 신틸레이터, 광전자증배관으로 구성된다. 집전 그리드에 양전압(+200~300V)을 걸면 저에너지 SE를 효율적으로 수집하고, 음전압을 걸면 SE를 밀어내고 BSE만 검출하는 모드로도 활용할 수 있다. 신호 대 잡음비(SNR)가 높고 신호 수집 입체각이 크다는 장점이 있다.
5-2. In-lens 검출기 / Through-the-lens 검출기
대물 렌즈 내부 또는 그 위쪽에 검출기를 배치하는 방식이다. SE 중에서도 특히 렌즈 자기장에 포획되어 위쪽으로 끌려 올라온 SE$_2$(시료 근처에서 발생한 BSE에 의해 2차적으로 생성된 전자) 신호를 효율적으로 검출한다. 저전압 고분해능 이미징에 유리하다.
5.3. BSE 검출기
대물 렌즈 바로 아래, 시료 위쪽에 링 형태 또는 분할 형태로 배치되는 반도체 다이오드 검출기다. 높은 에너지의 BSE를 직접 검출하며, 원자번호 대비(Z-contrast) 이미지를 만드는 데 사용된다.
6. 진공 시스템
SEM이 작동하기 위해서는 반드시 고진공 환경이 필요하다. 이유는 두 가지다. 첫째, 전자빔이 공기 중의 분자와 충돌하면 산란되어 분해능이 급격히 떨어진다. 전자의 평균자유경로가 빔 경로 길이보다 충분히 길어야 하므로, 고진공이 필요하다. 둘째, 전자총 팁과 시료 오염을 방지해야 한다. 특히 FEG 팁은 잔류 가스 흡착에 매우 민감하다. 일반적인 SEM의 진공도는 전자총 영역에서 $10^{-6}$ ~ $10^{-10}$ Torr, 시료 챔버에서 $10^{-4}$ ~ $10^{-6}$ Torr 수준이다. 이를 위해 터보 분자 펌프(TMP), 이온 펌프, 게터 펌프 등이 사용된다.
7. SEM 이미지 형성의 과정
SEM이 한 장의 이미지를 만드는 과정을 순서대로 정리하면 다음과 같다.
- 전자총에서 전자를 방출하고 가속전압으로 가속한다.
- 집속 렌즈와 대물 렌즈를 통해 전자빔을 시료 표면에 최소 직경으로 집속한다.
- 편향 코일로 전자빔을 x-y 방향으로 래스터 주사하면서 시료 위를 한 점씩 스캔한다.
- 각 점에서 발생하는 SE(또는 BSE 등)를 검출기가 수집하고 전기 신호로 변환한다.
- 이 신호의 강도를 해당 위치의 밝기값(gray value)으로 매핑해 픽셀 단위로 이미지를 구성한다.
- 모든 픽셀의 스캔이 완료되면 한 장의 이미지가 완성된다.
이 과정에서 이미지의 배율은 스캔 영역의 크기와 화면/센서의 크기의 비로 결정된다. 스캔 영역을 좁게 할수록 배율이 높아진다. 따라서 SEM의 배율은 광학 렌즈의 배율이 아니라 전자적인 주사 범위로 결정된다는 점이 광학 현미경과 근본적으로 다르다.
지금까지 SEM에 대한 전체적인 개념을 그렸다면, 이제 SEM의 성능과 작동을 좌우하는 파라미터에 대해 알아보고자 한다.
8. 가속전압 (Accelerating Voltage, HV)
가속전압은 SEM에서 가장 영향력 있는 파라미터다. 전자총에서 전자를 가속하는 전압으로, 보통 0.1~30kV 범위에서 선택한다. 높은 가속전압 (10~30kV)을 이용하면 전자의 에너지가 높아 시료 깊은 곳까지 침투한다. 상호작용 부피가 커져 더 많은 신호(SE, BSE, X선)가 발생하므로 SNR이 좋아진다. EDS 분석에 유리하고, 무거운 원소의 특성 관찰을 위한 X선 excitation에도 필요하다. 단점은 상호작용 부피가 넓어지면서 공간 분해능이 떨어지고, 전자빔에 의한 시료 손상(e-beam damage)이 커진다. 반대로 낮은 가속전압 (1~5kV)에서는 상호작용 부피가 표면 근처로 제한되어 표면 분해능이 향상된다. 시료 손상도 줄어들고, 비도전성 시료(절연막, 레지스트 등)에서 전하 축적(charging) 억제된다. 반도체 공정 검사에서 저전압이 특히 중요한 이유가 여기 있다. 패턴된 웨이퍼 위의 레지스트나 절연막은 저전압 없이는 심한 charging으로 이미지가 왜곡된다. CD-SEM이 대부분 500V~1keV의 저전압을 사용하는 이유다.
Q1. Landing energy의 영향
• 정의: 시료 도달 순간의 에너지 (가속전압 − 감속전압)
• 낮음(수백 eV): interaction volume 작음 → 표면 contrast 선명, charging·damage 적음
• 높음(수 keV): 깊이 침투 → 매립 구조 정보, 대신 표면 해상도↓ + charging·damage↑
• 착지: "defect 깊이와 시료 대전 특성에 따른 LE 선택이 recipe의 출발점"
Charging 효과는, 앞선 파트에서도 잠깐 설명을 했지만, 비도전성 시료에 전자빔이 조사되면 전자가 쌓여 음전하가 축적되는 현상이다. 이 전하가 1차 전자빔을 밀어내거나 SE의 궤적을 왜곡해 이미지가 밝아지거나 어두워지는 artifact가 생긴다. 해결책은 다음과 같다.
- 가속전압을 낮춰 1차 전자와 SE의 방출 수지를 균형 맞추기
- 시료 표면에 얇은 도전성 코팅(Au, Pt, C) 적용 (반도체 공정 검사에서는 불가)
- 저진공 SEM(환경 SEM, ESEM) 방식: 잔류 가스로 전하를 중화
- 빔 조사 시간 최소화
9. 작동거리 (Working Distance, WD)
대물 렌즈 하단부에서 시료 표면까지의 거리다. 보통 1~20mm 범위다. WD가 짧을수록: 대물 렌즈의 수차(특히 구면수차)가 줄어들어 분해능이 향상된다. 렌즈 자기장이 SE를 효율적으로 포획할 수 있어 in-lens 검출기 성능도 좋아진다. 단, 시료와 렌즈 사이 물리적 간격이 좁아 시료 기울임이나 고배율 이미징 시 충돌 위험이 있다. WD가 길수록: 수차가 커져 분해능이 떨어지지만, EDS 검출기 배치 공간이 확보되고 시료 충돌 위험이 줄어든다. 저배율 광시야 이미징에는 긴 WD가 유리하다. 반도체 공정 검사용 SEM에서는 보통 2~5mm의 짧은 WD를 사용한다.
Figure 1. Working Distance
10. 빔 전류 (Beam Current) 와 Spot Size
빔 전류는 시료에 조사되는 전자의 단위시간당 개수다. 조리개 크기, 집속 렌즈 세기, 가속전압으로 조절한다. 빔 전류가 크면 더 많은 SE가 발생해 SNR이 좋아진다. 그러나 전자-전자 간의 쿨롱 상호작용(Boersch effect)으로 빔 에너지 분산이 늘어나 색수차가 증가하고, 최종 probe size가 커진다. 시료 손상도 증가한다. 반대로 빔 전류가 작으면 probe size가 작아져 분해능이 향상되지만, SE 신호가 약해 SNR이 떨어지고 이미지 노이즈가 증가한다. 따라서 분해능(작은 probe)과 SNR(큰 전류) 사이의 트레이드오프가 항상 존재하며, 목적에 따라 최적 조건을 선택해야 한다.
Q9. SNR 높이는 방법
- Current↑ (resolution 대가)
- 체류시간↑/frame averaging (throughput 대가)
- Contrast 자체를 키우기 — LE·검출 조건 최적화 ← recipe의 본질
11. 이미지 콘트라스트의 종류
11.1. 형태 콘트라스트 (Topographic Contrast)
SE 이미지에서 나타나는 가장 기본적인 콘트라스트다. 표면의 돌출부나 모서리에서는 SE가 더 많이 방출(탈출 경로가 짧아서)되어 밝게 보이고, 평탄면이나 함몰부는 어둡게 보인다. 모서리 밝기(edge brightening) 효과가 대표적이다.
11.2. 조성 콘트라스트 (Compositional Contrast, Z-contrast)
BSE 이미지에서 두드러진다. 원자번호가 높은 원소(금속 등)는 BSE 방출 계수가 높아 밝게, 원자번호가 낮은 원소(탄소, 산소 등)는 어둡게 보인다. TEM의 Z-contrast STEM 이미징과 같은 원리다.
11.3. 전압 콘트라스트 (Voltage Contrast)
반도체 소자 검사에서 매우 중요한 콘트라스트 메커니즘이다. 시료 표면의 전위(전압)에 따라 SE 방출 효율이 달라진다. 양전위를 띠는 영역은 SE를 다시 끌어당겨 어둡게, 음전위 영역은 SE를 밀어내 밝게 보인다. 이를 이용해 통전/비통전 배선, 단락/단선 결함을 비파괴적으로 검출할 수 있다.
일반적으로 $\sigma$ > 1 인 영역에서는 주입되는 전자에 대해 SE+BSE가 동시에 튀어나온다. 이 경우 만약 관측하는 영역이 open circuit이라면 점차 양전하를 띄게되고, 이 양극을 띈 영역이 전자에 인력으로 작용하여 (특히) SE가 detector로 들어가지 못한다. 반대로 closed circuit이라면 튕겨져 나가는 전자를 electrical bath (아래 그림에서는 p-well)에서 지속적으로 보충하면서 정상 SE 방출이 유지되어 밝게 보인다.
하지만 반대로 $\sigma$ < 1 인 영역에서는 주입되는 전자에 비해 튀어나오는 전자가 더 적으므로, open circuit에서 음전하를 띄게 되어 SE가 detector로 들어가는 경향이 더 커진다. 이 때는 더 밝게 빛나게 된다.
이 전압 콘트라스트는 KLA E-Beam 검사 장비에서 핵심적으로 활용되는 원리 중 하나다.
11.4. 결정방위 콘트라스트 (Channeling Contrast / EBSD)
다결정 금속(Cu 배선 등)에서 각 결정립의 방위에 따라 BSE 방출 효율이 달라진다. 이를 이용해 결정립 구조를 가시화할 수 있다. EBSD(Electron Backscatter Diffraction) 기법과 결합하면 결정방위를 정량적으로 분석할 수 있다. EBSD BSE가 결정면에서 회절되어 형성하는 kikuchi 패턴을 분석해 결정방위를 정량적으로 측정하는 기법이다. SEM에 EBSD 검출기를 장착하고 시료를 약 70° 기울인 상태에서 측정한다. Cu 배선의 결정립 구조, 텍스처 분포, 결정립 경계 분석에 활용된다. 배선 저항의 결정립 경계 산란(grain boundary scattering)과 직접 연결되는 분석이라, 인터커넥트 공정 개발에서 중요하게 활용된다.
12. 주요 이미지 Artifact
SEM 이미지를 해석할 때 반드시 알아야 할 대표적인 artifact들이다.
12.1. Charging Artifact
앞서 설명한 비도전성 시료의 전하 축적. 이미지 밝기가 불균일해지거나, 빔이 흘러가는(beam drift) 현상이 나타난다.
12.2. 오염 (Contamination)
전자빔 조사 영역에 잔류 탄화수소(주로 진공 펌프 오일, 시료 표면 유기물)가 분해·침착되어 탄소 오염층이 쌓인다. 반복 스캔한 영역이 더 어둡게 보이는 "burn mark"가 나타난다. 특히 반도체 공정 검사에서 오염은 시료를 망가뜨릴 수 있어 극히 주의해야 한다.
12.3. 빔 드리프트 (Beam Drift)
장시간 이미징 시 기계적 진동, 열팽창, 자기장 변동 등으로 빔 위치가 서서히 이동해 이미지가 흐릿해지거나 왜곡된다.
12.4. 모아레 (Moiré) 패턴
주기적인 구조(메모리 셀 어레이 등)를 스캔할 때 스캔 주파수와 구조 주기 사이의 간섭으로 나타나는 허상 패턴이다.
13. 분해능에 영향을 주는 요인 종합
| 요인 | 분해능에 미치는 영향 |
| 가속전압 ↑ | 상호작용 부피 증가 → 분해능 저하 |
| 가속전압 ↓ | 표면 분해능 향상, charging 감소 |
| WD ↓ | 수차 감소 → 분해능 향상 |
| 빔 전류 ↓ | probe size 감소 → 분해능 향상 |
| FEG 소스 | 에너지 분산 최소 → 색수차 감소 |
| Cs corrector | 구면수차 보정 → 분해능 대폭 향상 |
| 진공도 향상 | 오염 감소, 빔 안정성 향상 |
SEM 이미지의 품질은 가속전압, 작동거리, 빔 전류의 세 파라미터를 어떻게 조합하느냐에 따라 크게 달라진다. 반도체 공정 검사에서는 저전압·짧은 WD·최소 빔 전류라는 방향으로 최적화되어 있으며, 이는 시료 손상 최소화와 표면 분해능 극대화라는 두 가지 요구를 동시에 만족시키기 위한 선택이다. 또한 형태·조성·전압 콘트라스트를 구분해서 해석할 수 있어야 이미지에서 의미 있는 정보를 뽑아낼 수 있다.
다음 파트에서는 이 SEM으로 얻은 이미지를 어떻게 해석하고, 주요 파라미터(가속전압, 작동거리, 전류 등)가 이미지 품질에 어떤 영향을 미치는지를 다룬다.
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