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반도체 입문 · 17강

계측과 검사: 무엇을, 몇 장이나 재는가

웨이퍼 한 장은 수백 단계와 몇 주에서 몇 달을 거쳐야 전기를 걸어 테스트할 수 있다. 마지막에야 오류를 발견하면 너무 늦으므로, 중요한 단계를 마칠 때마다 제대로 됐는지 먼저 확인한다.

학습 목표

• 웨이퍼가 완성될 때까지 기다렸다가 검사하면 안 되고, 공정 도중에 미리 측정해야 하는 이유를 설명할 수 있다.
• 계측과 검사를 구분하고, 막 두께·선폭·오버레이를 대략 어떻게 측정하는지, 결함 검사와 결함 리뷰가 어떻게 다른지 말할 수 있다.
• 계측과 결함 스캔이 왜 대부분 샘플링으로 이루어지고 모니터 웨이퍼까지 따로 쓰는지, 많이 측정할 때와 적게 측정할 때 각각 어떤 대가를 치르는지 설명할 수 있다.

한 단계씩

1. 중요한 단계를 마치면 바로 제대로 됐는지 확인한다.

   이유웨이퍼는 수백 단계를 거치며 몇 주에서 몇 달을 보낸 뒤에야 전기를 걸어 칩이 동작하는지 테스트할 수 있다.

   하지 않으면마지막에야 50번째 단계가 잘못됐다는 것을 알면 몇 주의 작업이 헛수고가 되고, 같은 장비를 뒤이어 거친 웨이퍼도 함께 불량이 될 수 있다.

2. 포토 공정을 마치면 먼저 한 번 측정하고, 이상이 없을 때만 식각으로 보낸다.

   이유패턴이 틀어졌어도 식각 전이라면 포토레지스트를 씻어 내고 다시 찍을 수 있다.

   하지 않으면식각한 뒤에 발견하면 되돌릴 수 없다. 깎아 낸 재료는 다시 돌아오지 않는다.

3. 숫자를 측정한다: 막 두께, 선폭, 위아래 두 층이 얼마나 정확히 맞는지(오버레이).

   이유얼마나, 어느 쪽으로 틀어졌는지 알아야 바로잡을 수 있다. 예를 들어 오버레이 편차를 노광 장비에 넘기면, 미리 설계한 알고리즘에 따라 다음 로트에서 보정한다.

   하지 않으면측정하지 않으면 얼마나, 어느 쪽으로 틀어졌는지 모르고, 다음 로트를 보정할 숫자도 없다.

   

4. 빛으로 웨이퍼 전체를 훑고, 칩마다 옆 칩의 이미지를 빼서 다른 부분을 의심 지점으로 기록한다(검사).

   이유두께가 딱 맞아도 먼지가 붙었을 수 있다. 칩 위는 온통 선이어서, 똑같이 생긴 이웃의 이미지를 빼야 덧붙은 것이 드러난다.

   하지 않으면파티클 하나가 잘못된 곳에 떨어지면 두 선이 이어지거나 한 선이 끊어질 수 있다. 이웃과 비교하지 않으면 그것이 선들 사이에 묻혀 놓치고 만다.

5. 의심 지점 중 일부를 골라, 전자 현미경으로 좌표를 따라가 근접 촬영하고 분류한다(결함 리뷰).

   이유광학 방식은 ‘여기에 뭔가 있고 크기는 대략 이 정도’라는 것만 알 뿐, 파티클인지 스크래치인지 잔류물인지는 모른다. 결함의 종류마다 생기는 곳이 다르다.

   하지 않으면자세히 보지 않고 고치러 가면 엉뚱한 장비를 고칠 가능성이 크다.

6. 모든 웨이퍼를 측정하거나 스캔하지 않는다. 로트마다 몇 장을 골라 장마다 몇 지점을 측정하고, 이와 별도로 정기적으로 모니터 웨이퍼를 돌려 장비를 본다.

   이유계측은 확인일 뿐 웨이퍼를 좋게 만들지 않는다. 모두 측정하면 로트가 계측 장비 앞에 줄지어 밀린다.

   하지 않으면샘플을 너무 적게 뽑으면, 장비가 두 번의 측정 사이에 서서히 틀어지는 동안 만든 로트를 하나하나 추적해 되짚어야 한다.

   

7. 숫자를 관리도에 찍는다. 관리 한계를 벗어나거나 한쪽으로 연속해서 치우치면, 먼저 그 로트를 홀드(다음 단계로 보내지 않고 붙잡아 둔다)하고 한 번 더 측정한다.

   이유숫자가 바뀐 것은 공정이 바뀌어서일 수도 있고, 계측 장비 자체가 틀어져서일 수도 있다.

   하지 않으면계측 장비가 틀어진 것을 모르면 틀린 숫자를 따라 공정을 조사하게 된다. 그래서 계측 장비는 값이 알려진 표준 웨이퍼를 정기적으로 측정해야 한다.

핵심 설명

왜 공정 도중에 측정할까?

웨이퍼 한 장은 수백 단계를 거치며 몇 주에서 몇 달을 보낸 뒤에야 전기를 걸어 테스트하고, 칩이 동작하는지 알 수 있다. 그때 가서 50번째 단계에서 이미 잘못됐다는 것을 알게 되면 몇 주 동안의 작업이 모두 헛수고가 되고, 같은 장비를 뒤이어 거친 웨이퍼들도 함께 불량이 될 수 있다. 그래서 중요한 단계를 마치면 바로 확인한다. 빌딩을 지을 때 한 층을 올릴 때마다 검사하는 것과 같다. 어떤 오류는 아직 되살릴 수 있다. 포토 공정에서 패턴이 틀어졌다면 식각 전에 씻어 내고 다시 찍을 수 있다. 하지만 식각한 뒤에는 되돌릴 수 없으므로, 포토 공정 직후의 계측이 특히 중요하다.

계측은 ‘얼마나’, 검사는 ‘있는가 없는가’를 묻는다

계측은 숫자 하나를 얻는다. 막이 얼마나 두꺼운지, 선이 얼마나 넓은지(선폭), 이 층이 아래층과 얼마나 정확히 맞는지(오버레이)다. 투명한 막은 빛으로 측정하는데, 반사되어 돌아온 빛의 색으로 두께를 역산하므로 웨이퍼에 닿을 필요가 없다. 가장 미세한 선은 수십 나노미터 이하여서 일반 광학 현미경으로는 구분할 수 없으므로, 흔히 전자 현미경으로 촬영한다. 생산 라인에서는 선이 촘촘하게 배열된 작은 영역에 빛을 비춘 뒤 모델로 선폭을 역산하는 방법도 많이 쓴다. 오버레이는 칩 사이의 좁은 띠(스크라이브 라인)에 있는 크고 작은 사각형 두 개가 반듯하게 겹쳐 있는지를 본다. 검사는 웨이퍼 전체를 훑어 파티클, 스크래치, 끊어진 패턴을 찾는 것이다. 두 가지가 모두 맞아야 칩이 제대로 나온다.

결함 찾기: 빛으로 훑고, 옆과 비교하고, 몇 곳을 골라 자세히 본다

검사 장비는 빛으로 웨이퍼 전체를 한 번 훑는다. 패턴이 있는 웨이퍼는 온통 선이어서, 이미지 한 장만 봐서는 어느 선이 설계된 것이고 어느 부분이 덧붙은 것인지 구분할 수 없다. 다행히 칩마다 패턴이 똑같으므로, 장비는 칩마다 옆 칩의 이미지를 빼서 같은 부분은 지우고, 남은 다른 부분을 의심 지점과 좌표로 기록한다. 광학 방식은 빨리 훑을 수 있지만 그것이 무엇인지는 알 수 없다. 그래서 전자 현미경으로 좌표를 따라가 일부를 골라 근접 촬영하고 분류하는데, 이를 결함 리뷰라고 한다. 결함의 종류마다 생기는 곳이 다르므로, 자세히 보지 않고 고치러 가면 엉뚱한 장비를 고칠 수 있다. 이 방법에도 사각지대가 있다. 모든 칩의 같은 위치에 있는 문제(예를 들어 한 샷에 칩을 하나만 찍을 때 마스크 위의 얼룩)는 빼는 과정에서 함께 지워지므로, 따로 설계도와 비교하거나 마스크를 직접 검사해야 한다.

모든 웨이퍼를 잴 수는 없으니, 샘플링하고 모니터 웨이퍼를 넣는다

계측은 웨이퍼를 좋게 만들지 않고 확인만 할 뿐이다. 측정할 때마다 시간이 들고 계측 장비도 비싸다. 모든 웨이퍼의 모든 지점을 측정하면 로트가 모두 계측 장비 앞에 줄지어 밀리고, 완성까지 걸리는 시간도 늘어난다. 그래서 대개 샘플링한다. 한 로트는 최대 25장인데, 그중 몇 장을 골라 장마다 몇 지점을 측정한다. 결함 스캔도 마찬가지로 몇 장만 골라, 현상, 식각, CMP 연마 같은 중요한 단계 뒤에 두는 경우가 많다. 새 공정이나 막 수리한 장비는 더 자주 스캔하고, 안정되면 줄인다. 이와 별도로 모니터 웨이퍼, 즉 장비 점검 전용이고 고객 제품이 아닌 웨이퍼를 넣는다. 예를 들어 퍼니스는 한 번 돌릴 때마다 위·가운데·아래에 몇 장씩 끼워 넣고, 꺼낸 뒤 막이 얼마나 두껍게 자랐는지 측정한다. 대가도 있다. 장비가 두 번의 측정 사이에 서서히 틀어지면, 그동안 만든 로트를 하나하나 추적해 되짚어야 한다. 측정한 숫자는 관리도에 하나씩 점으로 찍는다.

흔한 오해

흔히 듣는 말많이 측정할수록 좋다. 웨이퍼마다, 지점마다 다 측정하는 것이 가장 좋다.

실제로는계측은 확인일 뿐 웨이퍼를 좋게 만들지 않는다. 모두 측정하면 로트가 계측 장비 앞에 줄지어 밀리고, 완성까지 걸리는 시간이 늘어난다. 그래서 ‘많이 재서 안심하기’와 ‘적게 재서 빨리 진행하기’ 사이에서 절충해야 한다. 장비가 계속 안정적인 단계에서는 어떤 로트는 측정을 통째로 건너뛰기도 하고, 장비가 요즘 불안정하면 몇 로트를 더 측정한다.

흔히 듣는 말측정값이 틀어졌다면 공정에 문제가 생긴 것이다.

실제로는계측 장비 자체가 틀어질 수도 있다. 그래서 숫자가 한계를 벗어나거나 한쪽으로 계속 치우치면 먼저 한 번 더 측정하는 경우가 많다. 계측 장비도 값이 알려진 표준 웨이퍼를 정기적으로 측정해 스스로 틀어지지 않았는지 확인한다. 공정 문제임이 확실해지면 그때 장비와 앞의 어느 단계인지를 조사한다.

살펴보기: 분해해 보는 장비

• 전자 현미경 계측기CD-SEM · 계측

필독

• 팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까? 계측과 검사의 차이
• 결함 검사란? 웨이퍼 위의 파티클과 스크래치는 어떻게 찾을까

플레이

챕터 2 ‘한 공정씩’부터 시작하기: 2일째에 계측 장비로 가서, 퍼니스 런의 모니터 웨이퍼를 측정한다 →

생각해 보기

1. 많이 측정하면 안심이 되고, 적게 측정하면 로트가 빨리 진행된다. 내가 맡은 장비가 최근 조금 불안정하다면, 몇 로트를 더 측정할지 어떻게 정하겠는가? 누구와 먼저 상의해야 하는가?
2. ‘옆 칩과 비교하기’로는 모든 칩에 똑같이 있는 문제를 찾지 못한다. 일상이나 일에서 ‘모두 똑같아서 눈에 띄지 않는’ 오류가 있는가? 그런 오류는 어떻게 찾겠는가?

수업 자료: 슬라이드

이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.

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수업과 비영리 목적이라면 무료로 쓸 수 있다. 출처는 fab24hr로 밝혀 주기 바란다. 판매하거나 자신의 저작물로 바꿔 내놓을 수는 없다. 오류가 있다면 문제 신고

이 글 인용하기‘반도체 입문 · 17강: 계측과 검사: 무엇을, 몇 장이나 재는가’, fab24hr, 2026년 10월 27일 업데이트. https://fab24hr.com/ko/learn/metrology/