팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까? 계측과 검사의 차이

팹은 두 가지로 공정이 제대로 됐는지 안다. 계측과 검사다. 중요한 공정을 마치면 웨이퍼 일부를 가져다 확인한다. 계측이 묻는 것은 ‘얼마나’다. 막이 얼마나 두꺼운지, 선이 얼마나 넓은지(선폭), 이 층이 아래층과 얼마나 정확히 겹치는지(오버레이)를 잰다. 검사가 묻는 것은 ‘있는가’다. 웨이퍼 전체를 훑어 더 생긴 파티클이나 스크래치, 또는 한 귀퉁이가 빠지거나 끊어진 패턴이 있는지 본다. 영어로는 각각 metrology, inspection이라고 한다. 측정값은 그래프로 그리고, 조금이라도 치우치면 누군가 원인을 찾는다.

왜 공정 도중에 확인할까?

웨이퍼 한 장은 팹에서 수백 단계를 거치며 몇 주에서 몇 달을 보낸 뒤에야 전기를 걸어 테스트하고 칩이 동작하는지 알 수 있다. 그때 가서야 50번째 단계가 잘못됐다는 것을 알게 되면 그 몇 주의 작업이 모두 헛수고가 되고, 같은 장비를 거친 뒤의 웨이퍼들도 함께 망가졌을 수 있다.

그래서 팹은 건물을 짓는 것과 같다. 한 층을 올릴 때마다 검사하지, 건물을 다 지은 다음에야 3층 기둥이 기울어진 것을 발견하지 않는다. 일찍 발견할수록 망가지는 칩이 줄고 수율도 높아진다(“뉴스에서 말하는 ‘수율’이란?” 참고).

어떤 실수는 아직 되돌릴 수 있다. 포토 공정에서 패턴이 어긋나게 찍혔다면 식각 전에는 씻어 내고 다시 찍을 수 있다. 하지만 식각하고 나면 되돌릴 수 없다. 그래서 포토 공정 직후의 계측이 특히 중요하다.

계측과 검사는 무엇이 다를까?

	계측	검사
묻는 질문	얼마나?	있는가?
얻는 것	숫자 하나: 얼마나 두꺼운지, 얼마나 넓은지, 얼마나 어긋났는지	의심스러운 점이 어디에, 몇 개 있는지
보는 방법	몇 군데를 골라 아주 정확하게 잰다	웨이퍼 전체를 훑어 있어서는 안 되는 것을 찾는다
비유	자로 재기	한 쪽 가득한 글에서 오탈자 찾기

두 가지는 함께 쓰는 경우가 많다. 두께가 딱 맞아도 먼지가 세 개 더 붙어 있을 수 있다. 두 가지가 모두 맞아야 칩이 제대로 된다.

막 두께는 어떻게 잴까? 빛으로

투명한 막에 빛을 비추면, 일부는 막의 표면에서 바로 반사되고 일부는 안으로 들어가 막의 바닥에서 다시 반사된다. 두 빛이 겹치면 어떤 색은 강해지고 어떤 색은 서로 상쇄된다. 비눗방울이나 물 위의 기름막이 무지갯빛을 띠는 것도 이 때문이며, 색은 막의 두께와 관계가 있다.

계측 장비는 색마다 얼마나 반사되어 돌아오는지를 모두 기록한 뒤 모델로 역산한다. 막이 얼마나 두꺼워야 이렇게 반사되는지를 거꾸로 계산하는 것이다. 다른 방법은 빛을 비스듬히 비추고, 반사된 뒤 빛이 ‘진동하는 방향’이 어떻게 바뀌는지 보는 것이다. 이를 엘립소메트리(ellipsometry, 타원 편광 분석)라고 하며, 아주 얇은 막도 잴 수 있다. 두 방법 모두 웨이퍼에 닿지 않는다.

금속은 빛이 통과하지 않으므로, 대신 전기가 얼마나 잘 통하는지(면저항)를 재는 경우가 많다. 웨이퍼 한 장에서 여러 점을 재서 가운데와 가장자리의 두께가 같은지 본다. 막을 어떻게 올리는지는 ‘박막 공정이란?’에서 다룬다.

선폭은 어떻게 잴까? 전자 현미경과 빛

가장 가는 선은 폭이 수십 nm에 불과하거나 그보다 더 좁다. 가시광선의 파장은 약 400~700nm라서, 일반 광학 현미경으로는 약 200nm 이하의 것을 구분하기 어렵다. 전자는 파장이 훨씬 짧기 때문에 선을 선명하게 찍으려면 대개 전자 현미경을 쓴다.

계측 장비는 웨이퍼 바로 위에서 선의 사진을 찍고, 이미지에서 선의 양쪽 가장자리가 어디인지 찾아 폭이 얼마인지 구한다. 업계에서는 이 숫자를 흔히 CD(critical dimension, 임계 치수)라고 부른다. 포토레지스트를 찍을 때는 표면에 전하가 쌓여 이미지가 일그러지지 않도록 전자의 에너지를 낮춘다. 사진을 찍지 않는 방법도 있다. 스크라이브 라인(칩과 칩 사이의 좁은 띠로, 마지막에 웨이퍼를 이곳에서 자른다)에 촘촘한 선 패턴을 작게 찍어 두고, 빛을 비춘 뒤 막 두께를 잴 때처럼 모델로 선의 폭과 높이, 옆면의 기울기를 역산한다. 이를 광학 임계 치수 계측(OCD)이라고 한다. 측정이 빨라 생산 라인에서도 많이 쓴다.

오버레이는 어떻게 잴까?

오버레이가 왜 중요한지는 ‘포토리소그래피(포토 공정)란?’에서 다뤘다. 재는 방법은 간단하다. 칩과 칩 사이의 스크라이브 라인에 층마다 전용 마크를 남겨 둔다. 예를 들어 아래층에는 큰 사각형을, 이번 층에는 그 안에 작은 사각형을 찍는다. 광학 현미경으로 찍어서 작은 사각형이 정확히 가운데에 있는지, 어긋났다면 얼마나, 어느 쪽으로 어긋났는지 본다. 측정한 어긋남은 노광 장비에 넘겨 다음 로트에서 보정한다.

결함은 어떻게 찾을까? 옆 칩과 비교한다

패턴이 없는 웨이퍼는 표면이 평평해서 가장 찾기 쉽다. 레이저로 훑으면 빛이 파티클에 닿아 옆으로 흩어지고, 검출기가 번쩍임을 감지하면 그것이 파티클 하나다. 햇빛이 방에 들어오면 평소에는 보이지 않던 먼지가 하나하나 반짝이는 것과 같다. 클린룸이 어떻게 파티클을 줄이는지는 ‘클린룸은 얼마나 깨끗할까?’에서 다룬다.

패턴이 있는 웨이퍼는 어렵다. 표면이 원래 선으로 가득하기 때문이다. 다행히 웨이퍼 한 장 위의 칩은 모두 패턴이 똑같다. 그래서 장비는 칩 하나의 이미지를 옆 칩의 이미지와 겹쳐 뺀다. 같은 부분은 지워지고, 남은 다른 부분이 의심스러운 결함이다. ‘틀린 그림 찾기’와 비슷하다. 두 그림을 나란히 놓으면 다른 곳이 바로 눈에 띈다.

이 방법에는 사각지대가 있다. 모든 칩의 같은 위치에 같은 문제가 있으면(노광 장비가 한 샷에 칩 하나만 찍을 때 포토마스크에 오염이 있으면 이렇게 될 수 있다), 빼는 과정에서 함께 지워진다. 이런 결함은 설계 데이터와 비교하거나 포토마스크를 직접 검사해서 찾는다.

광학 검사는 빠르게 훑을 수 있지만, 그 점이 정확히 무엇인지는 잘 보이지 않는다. 그래서 의심스러운 위치를 찾은 뒤에는 전자 현미경으로 그 좌표에 가서 확대 사진을 찍고, 파티클인지, 스크래치인지, 두 선이 붙어 버린 것인지 하나하나 분류한다.

왜 모든 웨이퍼를 재지 않을까?

계측은 웨이퍼를 더 좋게 만들지 않는다. 확인할 뿐이다. 잴 때마다 시간이 들고 계측 장비도 비싸다. 모든 웨이퍼의 모든 점을 재면 로트가 계측 장비 앞에 줄줄이 쌓이고, 웨이퍼 한 장이 완성되기까지 걸리는 시간도 함께 길어진다.

그래서 대부분 샘플링한다. 로트 하나는 보통 한 박스, 최대 25장이며, 그중 몇 장을 골라 장마다 몇 점을 잰다. 어떤 공정은 장비가 계속 안정적일 때 일부 로트가 계측을 통째로 건너뛰게 하기도 한다.

샘플링에도 대가가 있다. 장비가 두 번의 계측 사이에 서서히 치우쳤다면, 그동안 그 장비가 처리한 웨이퍼가 모두 문제일 수 있어 로트를 하나하나 추적해야 한다. 그래서 ‘많이 재고 안심하기’와 ‘적게 재고 빨리 가기’ 사이에서 균형을 잡아야 하며, 장비가 최근 불안정하면 더 많은 로트를 잰다.

제품 외에 모니터 웨이퍼도 있다. 고객의 제품이 아니라 장비를 점검하는 데만 쓰는 웨이퍼다. 정해진 시간마다 장비에 한 장씩 넣어 돌리고, 막 두께를 재거나 파티클을 세어 장비 자체가 변하고 있지 않은지 본다. 수리를 마친 장비의 테스트 런도 같은 원리다.

측정값은 어떻게 쓸까?

로트를 하나 잴 때마다 관리도에 점을 하나 찍는다. 점이 한계선 밖으로 나가거나, 여러 점이 연속으로 같은 쪽으로 치우치면 이상으로 본다. 관리 한계를 벗어나는 것과 제품 규격을 벗어나는 것은 또 다른 이야기다(OOC와 OOS. 용어를 누르면 볼 수 있으니 여기서는 반복하지 않는다).

이상이 나타나면 멈추고 원인을 찾는다. 먼저 이 로트를 홀드하고 OCAP에 따라 한 단계씩 처리한다. 이때 흔히 한 번 더 잰다. 숫자가 바뀐 것은 공정이 변했기 때문일 수도 있고, 계측 장비 자체가 치우쳤기 때문일 수도 있다. 그래서 계측 장비도 값이 알려진 표준 웨이퍼를 정기적으로 재서 스스로 틀어지지 않았는지 확인한다. 공정 문제로 확인되면 장비를 점검하고, 앞의 어느 공정에서 문제가 생겼는지 찾는다.

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 공정 엔지니어로 간 다음 이름 아래의 ‘식각’을 누르면 식각 공정 엔지니어가 된다. 오전 근무의 인수인계서에는 아무도 처리하지 않은 관리도 한 장이 걸려 있다. 계측 장비 MET-01에서 식각 후 선폭이 8점 연속 중심선 아래에 있고 점마다 조금씩 더 낮아지지만, 한계선을 벗어난 점은 하나도 없다. 메일함에는 내 판단을 기다리는 OOC 3로트가 있고, 오전에 야팅이 전화해 계측실에 있는 로트를 릴리스할지, 잡아 둘지 묻는다. 16:30 검토 회의가 끝나면 계측 장비로 돌아가 다시 볼 수 있다. 부품을 교체한 뒤 선폭이 중심선으로 돌아왔는지. 랜덤 이벤트로 다른 장비의 막 두께 관리도가 계속 위로 치우치는 일도 생길 수 있다.

포토 공정 엔지니어와 박막 공정 엔지니어에게도 계측값에서 시작하는 근무가 하나씩 있다. 하나는 오버레이 규격 초과, 다른 하나는 웨이퍼가 평소보다 더 휜 일이다. 게임 속 회사, 인물, 장비 번호, 숫자는 모두 가상이다. 계측과 검사가 무엇을 하는지, 어떻게 재는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.