결함 검사란? 웨이퍼 위의 파티클과 스크래치는 어떻게 찾을까

반도체 공장에서 말하는 결함 검사(defect inspection, 디펙트 검사라고도 한다)는 웨이퍼 한 장을 빠짐없이 살펴, 있어서는 안 될 것이 어디에 있는지 찾아내는 일이다. 원래 없던 파티클(미립자, 입자라고도 한다), 스크래치 한 줄, 한 귀퉁이가 떨어져 나간 패턴, 씻겨 나갔어야 할 찌꺼기 같은 것들이다. 찾고 나면 그중 일부를 전자 현미경으로 자세히 보고 무엇인지 확인한 뒤, 모든 점을 지도처럼 그려 어떻게 분포하는지 보고, 어느 공정 단계, 어느 장비에 문제가 생겼는지 판단한다.

결함 검사와 계측은 무엇이 다를까?

계측이 묻는 것은 ‘얼마나’다. 막이 얼마나 두꺼운지, 선이 얼마나 넓은지, 위아래 두 층이 얼마나 정확히 맞는지, 즉 수치가 맞는지를 본다. 검사가 묻는 것은 ‘있느냐 없느냐’다. 어디에 무언가가 더 있고, 어디에 무언가가 빠졌는지를 본다. 둘이 일을 어떻게 나누는지, 막 두께와 선폭은 어떻게 재는지는 ‘팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까?’에서 다뤘다. 이 글은 검사만 처음부터 끝까지 따라가 본다.

웨이퍼 위의 결함은 어떻게 생겼을까?

흔한 것은 다음과 같다.

• 무언가 더 있다: 파티클, 앞 공정이 남긴 찌꺼기, 말라붙은 물 자국.
• 무언가 빠졌다: 패턴의 한 귀퉁이가 떨어져 나갔거나, 선 하나가 끊어졌다.
• 붙어 버렸다: 원래 떨어져 있어야 할 두 선 사이에 작은 덩어리가 생겨 서로 이어졌다.
• 스크래치: 단단한 것이 끌려 지나가 선 한 줄이 남았다.

모든 결함이 칩을 망가뜨리는 것은 아니다. 칩과 칩 사이의 빈 공간이나 상관없는 곳에 떨어지면 칩은 그대로 동작한다. 하지만 마침 선 하나를 끊거나 두 선을 이어 버리면 그 칩은 불량이 된다. 선이 가늘수록 칩을 망가뜨릴 수 있는 파티클의 크기도 작아지고, 결함이 많을수록 불량 칩이 늘어 수율이 떨어진다(뉴스에서 말하는 ‘수율’이란? 참고).

결함은 어떻게 찾을까? 단계별로 보기

1단계: 빛으로 웨이퍼 전체를 스캔한다

검사 장비는 빛을 비추며 웨이퍼 전체를 훑어 나가다가, 의심스러운 곳이 보이면 위치와 대략적인 크기를 기록한다. 빛을 쓰는 이유는 충분히 빨라서 웨이퍼 한 장을 다 훑을 수 있기 때문이다. 전자 현미경은 훨씬 선명하게 보지만 너무 느려서, 그것으로 웨이퍼 전체를 스캔하면 로트가 계속 그 앞에 묶여 있게 된다. 전체를 먼저 스캔하지 않으면 몇 군데만 볼 수 있을 뿐이고, 다른 곳에 떨어진 것은 모두 놓친다.

2단계: 옆 칩과 비교해 다른 곳을 기록한다

웨이퍼 위의 칩은 모두 같은 패턴이므로, 장비는 칩마다 바로 옆 칩과 비교해 같은 부분은 넘어가고 다른 부분을 좌표와 함께 의심 지점으로 기록한다. 이렇게 비교하는 이유는 칩이 원래 선으로 빼곡하기 때문이다. 이미지 한 장만 봐서는 어느 선이 설계된 것이고 어느 덩어리가 더 생긴 것인지 구분할 수 없다. 이웃과 비교하지 않으면 빼곡한 선이 모두 결함처럼 보이고, 진짜 결함은 오히려 그 속에 묻혀 버린다.

3단계: 일부를 골라 전자 현미경으로 자세히 본다(결함 리뷰)

광학 검사는 ‘여기에 무언가 있고, 크기는 대략 이 정도’라는 것만 알 뿐 그것이 무엇인지는 알지 못한다. 그래서 전자 현미경이 좌표를 따라가 일부 지점을 골라 근접 사진을 찍고 분류한다. 파티클인지, 스크래치인지, 찌꺼기인지, 아니면 두 선이 붙은 것인지 가린다. 이를 결함 리뷰(defect review)라 하며, 요즘은 컴퓨터가 먼저 분류하고 사람이 확인하는 경우가 많다. 분류하는 이유는 결함마다 생겨난 곳이 다르기 때문이다. 자세히 보지 않고 고치러 가면 엉뚱한 장비를 고칠 가능성이 크다.

4단계: 모든 점을 결함 맵으로 그려 분포를 본다

점마다 좌표가 있으므로, 이를 웨이퍼 그림 위에 찍으면 결함 맵이 된다. 모양을 보는 이유는 흩어져 있는지, 한 덩어리로 뭉쳐 있는지, 한 줄로 늘어서 있는지가 각기 다른 원인을 가리키기 때문이다(다음 절). ‘이 웨이퍼에 점이 몇 개인가’만 세서는 문제가 어느 공정에 있는지 알 수 없다. 똑같이 30개라도 흩어진 30개와 호를 그리며 늘어선 30개는 전혀 다른 이야기다.

5단계: 관리 한계를 넘으면 멈추고 원인을 찾는다

웨이퍼를 한 장 스캔할 때마다 결함 개수가 관리도에 점 하나로 찍힌다. 점이 한계를 벗어나면 그 로트를 먼저 홀드하고, OCAP에 따라 하나씩 조사한다. 이 웨이퍼가 어느 장비들을 거쳤는지, 어느 로트부터 개수가 늘었는지를 본다(‘SPC 관리도란?’, ‘OCAP이란 무슨 뜻일까?’ 참고). 멈추는 이유는 원인이 아직 남아 있으면 뒤따르는 로트도 같은 문제를 겪기 때문이다. 멈추지 않으면 문제가 생긴 장비가 로트를 잇달아 처리해, 망가진 웨이퍼가 점점 늘어난다.

결함 맵 위의 모양은 각각 무엇을 가리킬까?

아래는 교과서와 논문에서 자주 언급하는 방향이며, 모두 단서일 뿐 답은 아니다.

• 불규칙하게 흩어져 있다: 무작위로 떨어진 파티클에 가깝고, 하나의 원인을 찾기 어렵다.
• 한 덩어리로 뭉쳐 있다: 어느 한 곳에 문제가 생긴 것이다. 예를 들어 약액이 남긴 얼룩이나, 장비 안에서 떨어진 부스러기 뭉치다.
• 한 줄, 또는 호 모양: 스크래치인 경우가 많다. 웨이퍼를 옮기는 로봇 암이 긁었을 수도 있고, CMP 연마 중 슬러리 속에서 뭉쳐 커진 입자나 연마 패드 위의 부스러기가 끌려갔을 수도 있다(‘CMP란?’ 참고).
• 가장자리에 몰려 있다: 웨이퍼의 가장 바깥 둘레는 원래 균일하게 만들기 가장 어렵고, 웨이퍼를 잡거나 옮길 때 닿는 곳도 가장자리다.
• 모든 샷의 같은 자리에 있다: 노광 장비는 한 샷(노광 영역)씩 찍어 나가므로 문제가 포토마스크를 따라다니는 경우가 많다. 포토마스크 위에 작은 오염이 하나 있으면 샷을 하나 찍을 때마다 한 번씩 찍힌다(‘마스크 엔지니어는 무슨 일을 할까?’ 참고). 한 샷 안에는 칩이 여러 개 들어가는 경우가 많고 오염은 그중 하나에만 찍히므로, 2단계의 옆 칩 비교로도 잡아낼 수 있다. 한 샷에 칩이 하나뿐이면 빼서 비교할 때 함께 지워지므로, 설계 데이터와 비교하거나 포토마스크를 직접 검사해 찾아야 한다(‘팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까?’ 참고).

한 가지 방법이 더 있다. 같은 웨이퍼를 어떤 공정 앞에서 한 번, 뒤에서 한 번 스캔하면, 새로 늘어난 점이 바로 그 공정이 더한 것이다. 장비 점검에만 쓰는 모니터 웨이퍼도 흔히 이렇게 쓴다(‘모니터 웨이퍼, 컨트롤 웨이퍼, 더미 웨이퍼란?’ 참고).

웨이퍼가 완성되면 웨이퍼 테스트에서 칩 하나하나의 양불을 위치대로 그려 웨이퍼 맵을 만든다(‘WAT란? 웨이퍼 맵으로 어디가 잘못됐는지 알아내는 법’ 참고). 공정 도중에 얻은 결함 맵을 여기에 겹쳐 보면, 어떤 결함이 떨어진 칩이 실제로 불량이 됐고 어떤 결함은 상관없었는지 알 수 있다. 웨이퍼 맵을 읽는 법은 결함 맵과 꽤 비슷하다.

왜 모든 웨이퍼, 모든 공정에서 스캔하지 않을까?

한 장을 스캔하는 데 시간이 걸리고 검사 장비도 한정돼 있다. 모든 웨이퍼를 모든 공정에서 스캔하면 로트가 전부 검사 장비 앞에 줄을 서게 되고, 웨이퍼 한 장이 완성되는 데 걸리는 시간도 그만큼 늘어난다. 더 작은 것을 찾으려 할수록 스캔은 느려지고 오검출도 늘어난다. 규격 안에 있는 막 두께나 선폭의 아주 작은 차이까지 ‘다르다’고 잡힐 수 있기 때문이다.

그래서 대부분 샘플링한다. 한 로트(한 박스에 최대 25장)에서 몇 장만 골라 스캔하는 경우가 많고, 그것도 중요한 공정 뒤에 둔다. 예를 들어 포토 공정의 현상 뒤, 식각 뒤, CMP 연마 뒤다. 현상 뒤의 검사가 특히 중요하다. 패턴이 아직 포토레지스트에만 있어서 문제가 있으면 벗겨 내고 리워크할 수 있지만, 식각하고 나면 되돌릴 수 없다. 새 공정이나 막 수리를 마친 장비는 더 자주 스캔하고, 안정되면 덜 스캔한다.

파티클은 어디서 올까?

크게 네 군데다.

• 사람: 피부 각질, 머리카락, 옷의 섬유. 그래서 클린룸에 들어갈 때는 방진복을 입는다(‘클린룸에서는 왜 전신 방진복을 입을까?’ 참고).
• 장비: 움직이는 부품은 마모되며 부스러기를 낸다. 챔버 벽에 한 겹 한 겹 쌓인 막은 두꺼워지면 벗겨져 떨어진다. 웨이퍼를 옮기는 로봇 암이 긁거나 부딪칠 수도 있다.
• 케미컬, 물, 가스: 약액, 세정용 물, 장비로 들어가는 가스 속의 작은 입자가 함께 웨이퍼에 올라앉는다.
• 공기: 천장의 필터와 아래로 불어 내리는 바람이 막아 준다(‘클린룸은 얼마나 깨끗할까?’ 참고).

그래서 결함 맵에 점이 늘었을 때 찾아야 할 것은 누가 먼지를 묻혀 들어왔느냐만이 아니다. 어느 장비, 어느 약액 통에 문제가 생겼느냐인 경우도 많다.

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 장비 엔지니어로 간 다음 이름 아래의 ‘CMP’를 누르면 CMP 장비 엔지니어가 된다. 오후 근무 13:40, CMP 공정의 핀위에게서 전화가 온다. 오전에 CMP-02에서 연마한 모니터 웨이퍼를 MET-05가 막 스캔했는데 표면에 휘어진 스크래치가 몇 줄 있어서, 같은 시간대에 연마한 C-4111을 일단 홀드해 두었다는 것이다. MET-05로 가서 결함 스캔 맵을 보고, 수많은 밝은 점 가운데 이번 일을 짚어 낸다. 나란히 같은 방향으로 휜 선 세 줄은 무언가가 끌려가며 생긴 것이다. 가장자리의 몇 개와 여기저기 흩어진 작은 밝은 점은 평소에도 있다. 이어서 슬러리 공급 캐비닛으로 가서 하나씩 대조해, 필터가 막힌 것을 찾아낸다.

같은 팹의 포토 공정 엔지니어는 저녁 근무 18:30에 현상 후 검사에서 메시지를 받는다. P-8A02의 모든 웨이퍼에 같은 결함이 있다는 것이다. 웨이퍼 전체의 샷 가운데서, 모든 샷의 같은 자리에 있는 그 점을 찾아야 한다. 세정 공정 엔지니어의 오전 근무에서는 모니터 웨이퍼의 세정 후 파티클 수가 사흘째 계속 올라가고 있어, 세정 전과 세정 후를 한 장씩 대조한다. 품질 엔지니어의 심야 근무에서는 출하 전 표면 검사에서 25장 중 5장을 뽑았는데 2장의 가장자리에 스크래치가 있고, 그중 한 줄은 칩이 놓인 영역 안까지 그어져 있다.

게임 속 회사, 인물, 장비 번호, 로트 번호는 모두 가상이다. 결함 검사를 어떻게 하는지, 스크래치와 파티클이 어디서 오는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.