반도체 측정 장비 소개 및 반도체 측정 장비 산업의 현 주소

반도체 측정 장비에 대해서 소개해 보고자 합니다. 반도체 측정 장비는 구글 검색과 한국과학기술정보연구원 기술동향 자료, the semicon 반도체 전문지를 참고하여 작성하였습니다. 반도체는 wafer위에 chip 형태로 제작이 되며 제작된 chip의 동작 이상 유무와 반도체 소자의 특성을 분석하기 위해 공정 완료 후 측정 평가를 진행하게 됩니다.

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keithley, keysight, NI STS시리즈 들이 주로 사용되고 있으며, 대학교에서도 쉽게 찾아볼 수 있는 측정 장치입니다. 최근에는 자동차에도 반도체가 많이 사용됨에 따라 반도체 측정용 MDA800 시리즈와 같은 분석기의 관심도 또한 높아지고 있습니다. 특히 예전에는 단순한 작업의 측정 평가만이 이루어졌다면, 이제는 다목적 복합 동작에 대한 여러 상황을 체크해야 하기 때문에 각 장비들의 다채널 (multi channel) 측정 가능 시스템과 low noise 특성 및 GHz 급 고속 동작 측정 평가가 가능한 장비들이 요구되고 있습니다.

 

특히 최근에는 저 전압 고속 동작을 요구 받고 있기 때문에 DRAM, NAND, System IC 모든 반도체에 대해서 평가 시 최저 전류를 어디까지 측정을 할 수 있는지, 최 고속 평가는 얼마까지 가능한 것인지 확인이 반드시 필요합니다. 또한 측정 장비의 성능이 좋더라도 주위 환경 셋팅이 잘 못 된다면 noise 특성이 크게 증가하여 정확한 측정이 어렵게 됩니다. 따라서 주위 환경에 대한 설치도 측정 장비 못지않게 중요합니다.

 

Low noise 고속 동작 평가도 중요하지만, high power에 대한 측정 needs도 지속적으로 필요로 하고 있습니다. High power는 주로 차량용, 군사용으로 많이 사용되기 때문에 대단히 높은 신뢰성을 가지고 있어야만 합니다.

 

최근 출시되는 반도체 측정 장비들은 window 기반으로 제작되어 나오고 있어 사용자에 편의성이 함께 고려되어 있습니다. 따라서 쉽게 측정할 수 있는 환경 기반이 마련되어 있습니다. 하지만 측정 system자체도 매우 고도화되어 있어 IV, CV, ultra-fast IV등 사용자가 사용하고자 하는 환경에 맞는 system을 선택해야 하는 어려움도 있습니다.

 

측정은 일반적으로 RF, AC, DC 평가가 기본으로 사용되며, 측정 조건에 따른 주위 환경도 함께 변화가 필요합니다. Low noise 특성을 극대화해야 하는 RF, AC 측정의 경우 probe tip과 같은 반도체와 연결이 되는 needle, cable 등도등도 noise 특성에 강한 자재를 사용해야 합니다. DC 평가 시에도 low level 전류 측정이 필요한 경우도 비슷한 환경 구축이 필요합니다.

 

과거에는 LCR meter, power source, oscilloscope, PC, voltage current meter, 등의 장비를 각각 다 마련하고 이를 특수 cable로 연결을 했었습니다. 하지만, 측정 장비 자체의 기술도 발전함에 따라 이러한 system을 하나의 장비 안에 전부 all in one 스타일로 제작할 수 있게 되어 불필요한 cable 연결이 최소화되어 있습니다.

 

사물 인터넷, 차량용 반도체, 등 극한 상황에서의 반도체 사용이 늘어나고 있는 추세입니다. 단순히 측정하는 것이 아니라 주위 온도 환경을 변화시키면서 측정을 해야 할 필요가 생기고 있습니다. 특히 고온 환경에 반도체가 노출되었을 때의 특성 변화와 문제점을 확인하기 위해 측정 장비도 해당 환경을 모사할 수 있도록 개발이 되고 있습니다. 또한 특수 환경에서 안정적 평가가 가능하도록 환경을 만드는 것도 개발의 필수 요소 중 하나입니다.

 

온도 뿐만이 아니라, 반도체의 미세 공정 개발의 발전으로 2D에서 3D 반도체가 개발됨에 따라 평가해야 할 항목도 늘어나고 있어, 측정 시간도 많이 걸리게 되었습니다. 따라서 측정 시간을 단축시키는 기술 개발도 활발히 이루어지고 있습니다.

 

최근 일본과의 무역 수출 규제로 반도체 관련 이슈가 있었습니다. 측정 장비가 아닌 공정 장비 쪽 이슈가 있었습니다. 하지만 측정 장비 또한 미국과 일본이 50~60% 이상으로 거의 독점적으로 장비 생산을 하고 있는 상황입니다. 국내 업체들이 국산화 진행을 하고 있지만, 측정 장비 기술 또한 고도의 기술로 쉽게 따라가기 어려운 분야 중 하나입니다. 따라서 또다시 이러한 무역 전쟁이 발생하면 분명 피해가 발생할 수 있습니다.

 

미세화 공정의 발전과 더불어 더욱 고도 기술이 들어간 반도체의 평가 장비 기술에 대해서도 해당 장비 산업이 발전할 수 있도록 정책적인 노력과 연구활동이 필요한 시점이라고 생각합니다.