계측 (Metrology)

계측의 위치와 역할

계측은 ‘공정이 잘 됐는지 확인하는 모든 측정’을 통칭한다.

공정 엔지니어는 매일 계측 결과를 보며 SPC 차트를 갱신하고, 노드 전환과 신제품 셋업에서도 계측이 가장 먼저 결과를 가져다 준다.

계측은 보통 ‘비파괴’가 원칙이지만, 일부(단면 SEM·TEM)는 파괴 분석으로 이어진다.

양산 라인에서는 거의 모든 단위공정 후 일정 비율의 웨이퍼가 계측 장비를 거치며, 결과가 사양 안에 들어와야 다음 공정으로 진행된다.

두께·굴절률 측정

두께·굴절률 측정은 가장 흔한 계측이다.

분광 엘립소미터(SE)는 박막에 다양한 파장의 편광을 입사시키고 반사광의 편광 상태 변화를 분석해 두께·굴절률·소광계수를 추정한다. 1nm 수준의 매우 얇은 막도 정밀하게 측정할 수 있어, 게이트 산화막·High-k·Low-k 박막에 표준이다.

Reflectometer는 더 단순한 반사광 분석으로 두께를 측정하며, 두꺼운 막에서 빠르게 동작한다.

XRF·X-ray는 메탈 박막의 조성·두께·결정성을 측정한다.

CD와 오버레이 측정

CD(Critical Dimension)와 오버레이는 첨단 노드에서 가장 까다로운 항목이다.

CD-SEM은 전자빔으로 패턴을 직접 관찰해 폭·길이·형상을 측정한다.

정확하지만 처리 속도가 느리다.

OCD(Optical Critical Dimension, scatterometry)는 패턴에 빛을 입사시켜 회절 패턴을 분석하고, 사전에 시뮬레이션한 라이브러리와 매칭해 CD·측벽 각도·잔류막 두께 등을 한꺼번에 측정한다.

처리 속도가 빠르고 비파괴라 양산 인라인에 잘 맞는다.

오버레이는 IBO(Image-Based Overlay)와 DBO(Diffraction-Based Overlay)가 있고, 첨단 노드는 1nm 이하 사양을 다룬다.

결함 검사: 광학과 e-beam

결함 검사는 ‘웨이퍼 위에서 무엇이 잘못됐는지’를 찾는 일이다.

광학 검사 장비는 다크필드(어두운 배경에서 결함이 빛나는 방식)·브라이트필드(밝은 배경에서 결함이 어두운 방식)로 빠르게 웨이퍼 전체를 스캔한다.

KLA의 28xx 시리즈, 39xx 시리즈, AIT가 대표적이다. e-beam 검사는 더 작은 결함(수 nm)도 잡지만 처리 속도가 느려, 광학 검사로 영역을 좁힌 뒤 e-beam으로 정밀 분석하는 흐름이 일반적이다.

매크로 검사는 웨이퍼 전체의 코트 결함, 노광 후 PR 결함 같은 큰 결함을 잡는다.

인라인 vs 오프라인 계측

인라인(in-line)과 오프라인(off-line) 계측은 역할이 다르다.

인라인 계측은 양산 흐름 중간에 배치되어 모든 로트가 일정 비율로 거치며, SPC와 직접 연결된다.

오프라인 계측은 별도 분석 룸에서 단면 SEM, TEM, FIB-SEM, AFM, SIMS, XPS, EDS 같은 정밀 장비로 ‘이상한 로트’를 깊이 분석한다.

결함이 발견되면 인라인 데이터에서 시작해 오프라인 분석으로 root cause를 찾고, 다시 인라인 SPC에 반영하는 사이클이 돌아간다.

계측 장비 시장과 KLA의 위치

계측 장비 시장은 KLA가 단연 1위로, 광학·e-beam 검사·OCD·오버레이 등에서 50% 이상의 점유율을 차지한다.

AMAT(SemVision, Verity), 일본의 히타치 하이테크(CD-SEM·디포지션 검사), 어플라이드 머티리얼즈, 일본의 LASERTEC(EUV 마스크 검사), Onto Innovation 등이 함께 시장을 분할한다.

한국에서는 넥스틴(다크필드 광학 검사 일부 양산), 케이맥, 파크시스템스(AFM) 등이 자리잡고 있고, 일부 영역에서 점유율을 늘리고 있다.

계측 결과는 ‘좋다/나쁘다’의 단순한 판정이 아니다.

SPC 차트의 트렌드, 결함 맵의 패턴, OCD 라이브러리와의 매칭 정확도, 엘립소미터의 모델 적합도까지 모두를 보고 ‘공정이 정상인가’를 판단한다.

그래서 계측 데이터는 공정·설비·품질·결함 분석 모두의 출발점이고, 데이터의 품질이 곧 라인 운영의 품질이다.