반도체 검사에서 DSNU/PRNU 보정이 중요한 이유

3나노미터 기술의 상용화, AI 칩 수요 증가, 그리고 모바일 프로세서의 지속적인 발전으로 반도체 제조는 전례 없는 정밀도의 시대로 접어들었습니다. 이러한 환경에서 웨이퍼 결함 검사 및 EUV 마스크 검사와 같은 핵심 공정은 이미징 시스템에 더욱 엄격한 요구 사항을 제시하고 있습니다.

고속 스캐닝, 넓은 영역 커버리지 및 고해상도 이미징으로 잘 알려진 시간 지연 적분(TDI) 카메라는 첨단 검사 장비의 필수 구성 요소가 되었습니다. 그러나 궁극적인 정확도는 한 가지 중요한 요소, 즉 이미지 불균일성 노이즈 보정에 달려 있습니다.

선도적인 국내 기업으로서TDI 카메라공급업체인 투센 포토닉스는 DSNU/PRNU 보정 분야에서 뛰어난 전문성을 구축하여 반도체 검사의 신뢰성을 향상시켜 왔습니다. 이 글에서는 DSNU/PRNU 보정의 원리, 발전 과정 및 응용 분야, 그리고 첨단 공정 검사에서 이 기술이 결정적인 역할을 하는 이유를 살펴봅니다.

DSNU와 PRNU 이해하기

이론적으로 이미지 센서의 모든 픽셀은 어둠 속이든 조명 아래든 동일한 조건에서 동일하게 반응해야 합니다. 그러나 실제로는 제조 과정의 미세한 차이, 재료의 불균일성, 판독 회로의 불완전성 등으로 인해 픽셀 간 차이가 발생하고, 이는 고정 패턴 노이즈(FPN)로 이어집니다.

DSNU(암신호 불균일성)

● DSNU는 완전한 어둠 속에서 픽셀들이 서로 다른 수준의 암전류를 생성할 때 발생하며, 이로 인해 밝거나 어두운 고정된 점, 줄무늬 또는 얼룩이 나타납니다. 이는 장시간 노출이나 저조도 촬영 시 특히 두드러지게 나타납니다.

그림 1-1:DSNU의 가장 전형적인 발현 양상 중 하나로, 픽셀 암신호 불균일성의 특징을 명확하게 보여줍니다.

PRNU(사진 반응 비균일성)

● PRNU는 균일한 조명 조건에서 광전 변환 효율이 픽셀마다 다르게 나타나는 현상을 말합니다. 마이크로렌즈 정렬 불량, 다이오드 크기 차이, 도핑 불균일성 등이 원인입니다. PRNU는 일반적으로 밝기 분포, 띠 모양, 격자형 패턴으로 나타납니다.

그림 1-2:PRNU의 가장 전형적인 발현 양상 중 하나로, 픽셀 광응답의 불균일성 특성을 명확하게 보여줍니다.

DSNU/PRNU 정정은 어떻게 이루어지나요?

DSNU/PRNU 보정의 목표는 픽셀 개별성을 억제하여 모든 픽셀이 이상적인 상태인 것처럼 동작하도록 하는 것입니다. 보정 후 이미지 배경은 균일한 회색에 가까워져 측정 정밀도와 데이터 신뢰성이 향상됩니다.

일반적인 접근 방식은 다음과 같습니다.

1. 정적 보정

암시야 및 평면야 교정 데이터를 사용하여 픽셀 간의 고유한 차이를 보정합니다. 이 방법은 간단하지만 온도 변화, 장치 노화 및 광원 변동에 민감합니다.

2. 냉각 및 온도 제어 보정

열전 냉각(TEC)을 사용하여 암전류 및 DSNU를 억제하고, 다중 온도 교정 프로파일을 결합합니다. 이를 통해 배경 균일성이 안정화되고 장시간 작동 시에도 안정적인 성능을 보장합니다.

3. AI 기반 실시간 수정(떠오르는 트렌드)

AI 기반 동적 알고리즘을 활용한 FPGA/ISP 샘플링을 통해 보정 계수를 실시간으로 조정합니다. 이 접근 방식은 광량 변화, 온도 변화, 픽셀 노화에 적응하므로 향후 고처리량 검사 시스템에 적합합니다.

그림 2:DSNU/PRNU 보정 전후 결과 비교. 보정 후 이미지 배경이 매우 균일해졌습니다.

기술 동향

첨단 반도체 제조 공정이 지속적으로 발전하고 AI 애플리케이션 기반의 최첨단 칩에 대한 수요가 증가함에 따라, 업계는 검사 정확도에 대한 기대치를 높이고 있습니다. 이에 따라 교정 기술 또한 기존의 "공정 완료 후 조정" 및 "공정 억제" 방식에서 벗어나 더욱 지능적인 실시간 교정 방식으로 전환되고 있습니다.

반도체 검사의 과제

첨단 반도체 공정에서 배경 균일성은 저대비 결함의 검출 가능성을 직접적으로 결정합니다.

● 명시야 검사(저대비 결함)

나노 입자, 리소그래피 잔류물, 미세 스크래치와 같은 웨이퍼 표면 결함은 배경 노이즈와 1~3% 정도의 차이만 보입니다. PRNU 레벨이 비슷한 범위에 있으면 결함 신호가 배경 노이즈에 묻혀 검출되지 않을 수 있습니다.

그림 3-1:DIC 명시야 모드에서 촬영한 반도체 검사 이미지 예시

● 암시야 또는 저조도 검사(극히 미약한 신호)

암시야 분석법은 배경 잡음보다 몇 자릿수나 낮은 미약한 산란 신호에 의존합니다. DSNU(Dark Field Numerical Inspection)는 어두운 영역에 거짓으로 밝은 패턴을 생성하여 결함으로 오분류하기 쉽습니다. 광발광(PL) 또는 전기발광(EL) 검사에서 신호가 수십 개의 전자에 불과할 경우, 작은 DSNU 잔류물조차도 실제 결함을 가릴 수 있습니다.

그림 3-2:반도체 결함 검사의 대표적인 암시야 이미지

● 다중 모드 검사(복잡한 조건)

첨단 시스템은 종종 여러 파장, 각도 및 라인 속도를 결합합니다. 그러나 DSNU 및 PRNU 특성은 이러한 모드에 따라 달라집니다. 보정이 동적으로 적응하지 못하면 특정 구성에서 검출 정확도가 크게 떨어집니다.

그림 3-3:다중 조건 반도체 시스템의 문제점을 도식적으로 나타낸 그림

투센의 첨단 DSNU/PRNU 보정 기술

이러한 문제점을 해결하기 위해 투센 TDI 카메라는 냉각, 온도 제어 및 고정밀 교정을 결합한 완벽한 DSNU/PRNU 억제 시스템을 채택했습니다. 이를 통해 장시간 작동, 다양한 모드 및 저조도 환경에서도 안정적이고 높은 정확도의 검사를 보장합니다.

1. 고성능 냉각 및 온도 제어

● 첨단 TEC 모듈은 암전류와 DSNU 기준선을 크게 감소시킵니다.
● 정밀한 열 관리로 온도 안정성을 ±0.5°C 이내로 유지하여 장기간 작동 중 교정 오차 발생을 방지합니다.

그림 4-1:투센 TDI 카메라의 냉각 전후 배경 균일도 비교

2. 고정밀 교정

● 수백 가지의 교정 프로파일을 저장하고 전환하여 다중 파장, 다중 각도 및 다중 주파수 모드에 적응할 수 있습니다.
● 예를 들어,제미니 8K TDI SCMOS 카메라PRNU를 0.124%까지 낮추고 DSNU(10비트)를 5.8e⁻에 불과하게 달성하여 1% 미만의 대비를 가진 결함도 구분할 수 있습니다.