엔드포인트 검출이란? 식각과 CMP는 언제 멈출지 어떻게 알까

엔드포인트 검출(endpoint detection, 흔히 EPD로 줄여 쓰며 종말점 검출이라고도 한다)은 장비가 식각이나 연마를 하는 동안 하나의 신호를 계속 지켜보는 방법이다. 지금 가공하는 층이 끝나고 아래층이 드러나면 신호에 꺾임이 나타나고, 장비는 그 꺾임을 보고 멈춘다. 식각 장비는 주로 플라즈마가 내는 빛을, CMP 장비는 흔히 모터 전류와 웨이퍼에서 되돌아오는 반사광을 본다.

왜 멈출 때를 알아야 할까?

식각은 한 층을 깎아 내고, CMP는 한 층을 갈아 낸다. 둘 다 딱 알맞은 곳에서 멈춰야 한다. 어떻게 깎고 어떻게 가는지는 ‘식각이란?’과 ‘CMP란?’에서 다뤘고, 이 글은 ‘멈추는 것’만 다룬다.

• 모자라면: 끊어져야 할 곳이 끊어지지 않는다. 예를 들어 두 금속 배선 사이에 얇은 금속이 남아 있으면 두 배선이 이어져 버린다. 뚫려야 할 구멍이 뚫리지 않으면 위층과 아래층이 연결되지 않는다.
• 지나치면: 아래층까지 깎인다. 배선이 얇아져 저항이 높아지거나, 먼저 만들어 둔 아래 구조가 손상된다.

시간으로 정하면 왜 정확하지 않을까?

가장 간단한 방법은 시간으로 정하는 것이다. 제거할 두께를 1분에 제거되는 양으로 나누면 된다. 문제는 두 숫자가 모두 변한다는 점이다.

• 웨이퍼마다 막 두께가 다르다: 앞 공정에서 올린 막은 이 웨이퍼에서는 조금 두껍고 저 웨이퍼에서는 조금 얇으며, 한 장 안에서도 중심과 가장자리가 다르다.
• 장비마다, 날마다 속도가 다르다: 식각 장비의 챔버 벽에는 부착물이 조금씩 쌓이고, 연마 패드는 쓸수록 미끄러워진다. 속도는 계속 조금씩 움직인다.

식각 장비는 다 깎았다는 것을 어떻게 알까?

플라즈마의 빛을 본다

플라즈마는 빛을 내고, 그 색은 안에 무엇이 들어 있느냐에 따라 정해진다(‘플라즈마란?’ 참고). 깎이는 재료는 떨어져 나와 기체가 되어 플라즈마에 섞이고, 몇몇 색의 빛을 밝게 만든다. 그 층을 다 깎아 아래 재료가 드러나면 그 색의 빛은 어두워진다. 반대로 그 층을 깎는 데 쓰이던 가스는 남게 되어, 그 가스의 빛이 오히려 밝아진다. 장비는 챔버 옆면의 작은 창에 분광기(빛을 색별로 나누어 각 색의 밝기를 재는 장치)를 연결해, 이 색들을 계속 지켜본다.

이 방법은 면적이 작을 때 약하다. 깎을 곳이 웨이퍼의 아주 일부(예를 들어 작은 구멍들)뿐이면 빛의 변화도 작아서 알아보기 어렵다.

반사광을 본다

다른 하나는 웨이퍼에 빛을 비추고 되돌아오는 빛을 보는 방법이다. 빛이 투명한 막에 닿으면 막의 윗면과 아랫면에서 한 번씩 반사되고, 두 빛이 겹치면서 서로 보강되기도 하고 상쇄되기도 한다. 비눗방울에 색이 보이는 것과 같은 원리다. 막이 깎여 얇아질수록 반사광은 밝아졌다 어두워졌다를 되풀이한다. 그 횟수를 세면 얼마나 깎였는지 알 수 있다. 막이 없어지면 그 되풀이도 멈춘다.

엔드포인트가 나온 뒤에 왜 조금 더 깎을까?

신호가 꺾이는 순간에는 웨이퍼의 일부만 먼저 뚫린 경우가 많다. 막 두께가 어디서나 같지 않고, 식각 속도도 어디서나 같지 않기 때문이다. 그래서 모든 구멍이 바닥까지 닿도록 조금 더 깎는데, 이것이 과식각이다.

CMP 장비는 다 갈았다는 것을 어떻게 알까?

CMP에서는 웨이퍼가 앞면을 아래로 향한 채 연마 패드에 눌려 있어서, 장비가 볼 수 없다. 흔히 쓰는 신호로는 예를 들어 다음 두 가지가 있다.

• 모터 전류: 모터는 돌리기 힘들수록 전류를 많이 쓴다. 금속을 다 갈아 아래의 절연막이 드러나면 마찰이 달라지고, 전류도 따라서 꺾인다. 천으로 테이블을 닦을 때 유리 상판과 나무 위에서 손에 오는 느낌이 다른 것과 비슷하다.
• 반사광: 플래튼(연마 정반)에 작은 창이 있어, 아래에서 빛이 웨이퍼에 닿는다. 금속과 절연막은 되돌아오는 빛이 다르기 때문에, 표면의 재료가 바뀌면 반사광도 바뀐다.

다른 센서를 더 갖추고 여러 신호를 함께 보는 장비도 있다. 꺾임을 찾은 뒤에는 흩어진 잔여물을 깨끗이 없애려고, 설정대로 조금 더 연마하는 경우가 많다.

꺾임을 못 찾는 경우는 왜 생길까?

장비가 ‘꺾였다’고 판단하는 기준은 흔히 신호가 미리 정해 둔 선을 넘었는지다. 이 선을 임계값이라고 한다. 임계값이 너무 높으면 작은 꺾임을 놓치고, 너무 낮으면 작은 노이즈에도 일찍 멈춰 버린다. 꺾임이 작아지거나 뚜렷하지 않게 되는 흔한 이유는 다음과 같다.

• 위아래 두 층의 연마되는 성질이 비슷해, 마찰이 처음부터 별로 달라지지 않는다.
• 제거할 면적이 작아서 신호도 작다.
• 연마 패드의 상태가 달라졌다. 패드가 닳아 표면이 미끄러워지면 신호가 불안정해질 수 있다.

아예 꺾임이 없는 경우도 있다. 위에서 아래까지 같은 재료일 때, 예를 들어 산화막을 평평하고 얇게 갈기만 할 때다. 신호가 계속 평평하므로, 미리 측정한 연마율로 시간을 계산해 가는 수밖에 없다. 그래서 연마율은 매일 모니터 웨이퍼로 확인한다(‘모니터 웨이퍼, 컨트롤 웨이퍼, 더미 웨이퍼란?’ 참고).

엔드포인트가 검출되지 않으면 어떻게 될까? 단계별로 보기

꺾임이 보이지 않는다고 장비가 끝없이 계속하지는 않는다. 레시피(장비가 따라 실행하는 설정)에는 엔드포인트 말고도 시간 상한이 들어 있어서, 안전망 역할을 한다.

1단계: 시간 상한에서 장비가 멈추고 담당자를 부른다

• 하는 일: 시간이 되면 장비가 멈추고 알람을 띄워 장비 담당자를 부른다.
• 이유: 엔드포인트를 보지 못했으니, 장비는 이 웨이퍼가 충분히 가공됐는지 알 수 없다.
• 하지 않으면: 계속 진행하다가 아래층이 깎여 없어진다.

2단계: 이 로트를 멈추고 다음 로트는 넣지 않는다

• 하는 일: 이 로트를 홀드한다. 같은 장비 뒤에 대기 중인 로트는 다른 장비로 돌리거나 기다리게 한다.
• 이유: 신호의 문제인지 장비의 문제인지 아직 모르기 때문이다.
• 하지 않으면: 다음 로트를 넣어도 다시 엔드포인트가 검출되지 않을 수 있다. 홀드 뒤에 어떻게 판정하는지는 ‘홀드란?’에서 다뤘다.

3단계: 이 로트를 측정한다

• 하는 일: 남은 막의 두께와 표면에 덜 제거된 잔여물이 있는지를 측정한다(‘팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까?’ 참고).
• 이유: 상한까지 돌았다는 것은 지나쳤을 수도 있고(속도는 정상인데 신호만 놓친 경우), 모자랄 수도 있기(속도가 떨어져 끝나기 전에 시간이 된 경우) 때문이다.
• 하지 않으면: 판정이 짐작에 그친다.

4단계: 한 장씩 판정한다

• 하는 일: 규격 안에 든 웨이퍼는 진행시킨다. 모자란 웨이퍼는 다시 연마하거나 다시 식각할 수 있는 경우가 있다(리워크). 지나친 웨이퍼는 되돌릴 수 없어서, 쓸 수 없으면 스크랩한다. 이것을 웨이퍼 판정이라고 한다.
• 이유: 같은 로트라도 웨이퍼마다 상태가 다를 수 있다.
• 하지 않으면: 너무 느슨하게 판정하면 불량이 다음 공정으로 넘어가고, 너무 엄격하면 멀쩡한 웨이퍼까지 버린다. 어떤 공정을 다시 할 수 있는지는 ‘리워크란?’에서 다뤘다.

5단계: 엔드포인트가 왜 검출되지 않았는지 찾는다

• 하는 일: 그 구간의 신호 곡선을 불러와 하나씩 확인한다. 신호 자체가 작아지지 않았는지, 센서와 창, 배선에 고장이 없는지, 연마 패드나 앞 공정의 막 두께, 임계값이 바뀌지 않았는지를 본다.
• 이유: 원인을 찾기 전까지는 다음 로트도 똑같이 된다.
• 하지 않으면: 시간만 보고 버티려 해도, 속도가 바뀌는 중이라 시간도 정확히 잡을 수 없다. 멈추는 조건을 바꾸는 것은 레시피를 바꾸는 것이므로, 규정대로 책임자의 승인을 받아야 한다(‘팹의 변경 관리란?’ 참고). 고친 뒤에도 먼저 테스트 런을 돌려 통과한 다음에야 로트를 넣는다.

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(Beta 표시가 붙어 있다). 네 근무는 사이트를 연 시각에 따라 정해진다. 심야 근무 ‘고장 아닌 센서’에서는 새벽 2시 반이 조금 지나, 집에서 온콜 중인데 야간조의 아더에게서 전화가 온다. CMP-02의 엔드포인트 검출이 계속 걸리지 않아 웨이퍼마다 시간 상한까지 돌고서야 멈췄고, C-4102 25장이 아직 장비 안에서 물에 잠겨 있다는 것이다. 이어서 기록을 보면 모터 전류와 반사광 두 선 모두 꺾임이 없는데, 센서 자가 진단은 통과했고 연마 패드 사용 매수는 정한 매수를 훨씬 넘었다. 다음 로트 C-4103을 시간만 보고 연마할지는 CMP 공정의 핀위가 정하고, 플레이어는 장비가 버틸 수 있는지를 핀위에게 전한다.

화학적 기계 연마 장비를 바로 열어 볼 수도 있다. 플래튼의 작은 창이 반사광을 읽는 곳이다.

게임 속 회사, 인물, 장비 번호, 로트 번호, 수치는 모두 가상이다. 엔드포인트 검출이 무엇인지, 어떻게 읽는지, 검출되지 않으면 어떻게 대응하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 실제 방식은 공장마다 다르다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.