양산 관리: 약액·초순수·SPC

세정 장비는 한 줄로 이어진 시스템이다

앞 장들에서 세정은 약액의 화학(3장), 입자를 떼는 물리(4장), 린스와 건조(5장)의 조합이었다. 양산에서는 여기에 한 가지가 더 붙는다. 그 조합이 매일 똑같이 일어나야 한다는 조건이다. 레시피에 적힌 약액 이름과 온도, 시간이 같아도 웨이퍼에 닿는 실제 조건은 조금씩 움직인다. 약액의 농도와 온도와 유량, 노즐 위치, 회전 속도, 브러시와 Megasonic의 상태, 린스수의 품질, 배기, 건조 가스가 모두 결과를 바꾸는 입력이고, 이것들은 서로 이어져 있다. 이 책은 이 입력들의 변동을 관리하는 일을 '양산 관리'라고 부른다.

장비 방식에 따라 무엇을 더 조심할지도 다르다. 배치 장비는 수십 장을 한 조에 담그므로 그 조가 지금까지 몇 장을 처리했는지, 언제 새로 채웠는지가 결과를 정한다. 매엽 장비는 웨이퍼마다 새 약액을 뿌리므로 조의 이력은 덜하지만, 챔버가 여러 개이고 챔버마다 노즐·컵·배기 상태가 조금씩 달라 챔버 사이의 차이와 공급의 안정성이 관리의 중심이 된다(장비의 구조는 6장). 어느 쪽이든 약액은 웨이퍼에 닿기 전까지 긴 길을 지나온다.

IRDS는 그 길 위의 지점에 이름을 붙였다. 약액 드럼이나 벌크 탱크 같은 공급 지점이 POS(Point of Supply, 공급 지점), 분배 장치나 초순수 설비의 최종 필터 출구가 POD(Point of Distribution, 분배 지점), 지관이 갈라지는 밸브 상자가 POC(Point of Connection, 연결 지점), Wet bench나 중간 탱크의 입구가 POE(Point of Entry, 장비 입구), 조의 입구나 분사 노즐 입구가 POU(Point of Use, 사용 지점), 그리고 약액이 웨이퍼와 닿는 곳이 POP(Point of Process, 공정 지점)다. 초순수의 로드맵 값은 대부분 POE에서 정의된다. 같은 약액이라도 어느 지점에서 쟀느냐에 따라 숫자의 뜻이 다르다는 이야기다.

지점마다 기준이 다른 것은 로드맵 표에서도 보인다. IRDS 2023 표에서 세정용 49 % HF의 20 nm 입자 목표는 공급사 출하 기준이 1 mL에 350개, POP 기준이 35개이고, 96 % 황산은 400개와 40개다. 공급사에서 웨이퍼까지 오는 동안 분배와 여과가 20 nm 입자의 90 %를 걸러 내야 한다는 뜻이다(계산). 금속은 30 % H₂O₂가 원소마다 10 ppt, 세정용 HF가 POP에서 원소마다 20 ppt, 건조용 IPA는 0.1 ppt 미만이다.

무엇을 관리할지는 약액이 맡은 역할에 달려 있다. IRDS는 액체를 식각·CMP·도금처럼 반응 자체를 쓰는 기능 약액과 오염을 지우거나 표면 전하를 바꾸는 세정 약액으로 나눈다. 기능 약액은 농도(Assay)를 지키는 것이 핵심이고, 세정 약액은 이물질이 없는 것이 핵심이다. 같은 HF도 세정에 쓸 때는 오염 한계가 더 엄격하고, 식각에 쓸 때는 농도 관리가 더 엄격하다. 그래서 이 장의 약액 관리는 두 갈래로 나뉜다. 농도를 지키는 일(2절)과 오염이 쌓이기 전에 바꾸는 일(3절)이다.

길 위에서 약액을 걸러 주는 것이 필터다. Entegris는 뜨거운 강산·강염기(SPM, HCl, NH₄OH)용으로 7 nm 등급의 PTFE 막을, 낮은 온도의 묽은 산·염기(DHF, BOE, SC-1, SC-2)용으로 1 nm 등급의 폴리설폰 막을 내놓았다고 소개한다(장비사 자료). IRDS는 최종 필터의 성능을 SEMI C79로 4 nm 입자까지 평가하며, 치명 입자의 크기가 가장 앞선 최종 필터의 걸러 내는 능력에 다가섰다고 적는다. 필터는 영원히 깨끗한 부품이 아니다. 걸러 낸 것이 쌓이면 필터 앞뒤의 압력 차(차압)가 오르고 유량이 줄며, 교체한 직후에는 새 필터가 자리를 잡을 때까지 흘려 보내는 시간(Flush-up)이 필요하다.

약액을 섞는 곳도 변동의 원천이다. Air Liquide의 특허는 진한 약액을 현장에서 섞어 쓰면 운송과 재고를 줄이고 농도를 실시간으로 맞출 수 있다고 하면서, 혼합액 속 음속으로 비율을 재 200분의 1보다 좋은 혼합 정확도를 낸다고 적었다. 같은 특허는 농도 변동이 식각 속도와 선택비의 불확실성을 만든다고 지적한다. IRDS는 벌크로 공급되는 과산화수소와 암모니아수가 배송 조건에서 증류성 변동이나 열 분해를 겪을 수 있어 공정 변동의 원천이 된다고 적는다. 원액 탱크에서 이미 조금씩 달라진다는 뜻이다.

그렇다면 결과가 흔들릴 때 무엇부터 볼까. 원인은 대개 한 가지 사건이 아니라 여러 기록이 겹치는 자리에 있다. 이 책은 아래 표의 기록들을 같은 시간축에 놓고 보기를 권한다. 레시피 변경, 부품 수명, 약액 로트, 조의 배출·보충, 정비, 알람, 웨이퍼가 지나간 경로가 한 줄에 놓여야 '필터를 바꾼 다음 날부터', '새 약액 로트가 들어온 뒤부터' 같은 단서가 보인다.

약액은 늙는다: 분해, 증발, 소모와 보충

3장에서 뜨거운 SC-1 속 과산화수소가 얼마나 빨리 사라지는지 보았다. 1:1:5 SC-1에서 반감기는 50 °C에서 4시간, 80 °C에서 40분이었고, 약액 속 Cu·Fe 이온은 분해를 더 빠르게 했다. 화학의 눈으로 보면 '약액이 변한다'에서 끝나지만, 양산의 눈으로 보면 질문이 이어진다. 그래서 얼마나 자주 재고, 얼마나 넣고, 언제 버릴 것인가. Sematech의 1993년 특허는 공정을 고르게 유지하려면 약액조의 조성을 정해진 농도로 지키거나, 농도를 재서 처리 시간을 바꿔 보상해야 한다고 적었다. 같은 특허는 뜨거운 Megasonic NH₄OH–H₂O₂–H₂O 조에서 H₂O₂가 산소와 물로 빠르게 분해되고 NH₃는 높은 증기압 때문에 빠져나가며, 다른 과산화수소 조에서는 물의 증발이 농도를 바꾼다고 했다.

변하는 방식은 약액마다 다르다. 표 2에 모았다. 눈여겨볼 것은 같은 '농도 변화'라도 방향이 다르다는 점이다. HF는 쓰면 약해지지만 완충한 BHF는 덜 변하고, 뜨거운 인산은 물이 날아가면 질화막은 더 느리게, 산화막은 더 빠르게 깎아 선택비가 무너진다. PR을 녹이는 Stripper는 녹인 PR이 쌓여 묽어진다.

가장 단순한 모델은 농도가 지금 남은 양에 비례해 줄어든다고 보는 1차 감소다. 반감기 \(t_{1/2}\)가 주어지면 속도 상수가 정해진다. 보충은 이 감소를 일정한 간격 \(\Delta t\)마다 끊고 농도를 끌어올리는 일이다.

둘째 식이 이 절의 요점이다. 정해진 양을 정해진 간격으로 넣는 방식은 레시피를 정할 때 가정한 \(k\)에서만 제자리를 지킨다. 분해가 빨라지면(금속 오염, 온도 상승) 머무는 농도가 낮아지고, 느려지면 쌓여서 넘친다. 그런데 그 변화를 알아챌 장치가 없다. Sematech 특허가 지적한 것이 바로 이것이다. 당시 약액조는 정해진 시간 동안 쓰고 버렸고, 자동 제어기는 정해진 간격으로 약액을 보충하고 줄어든 액위를 채웠지만 센서가 액위계뿐이라 정상에서 벗어나도 알 수 없었다. 과산화수소는 사람이 시료를 떠서 과망간산 적정으로 쟀기 때문에 결과가 늦고 안전과 오염 위험이 따랐다.

해법은 재서 넣는 것이다. 특허는 조에서 시료를 조금씩 끌어내 식혀 분해를 멈추고, 수백 배로 묽힌 뒤 전도도로 산·염기 성분을, 전류법으로 H₂O₂를 재서 그 값으로 보충량을 정하는 고리를 제안했다(그림 2). 다른 특허는 앞선 기술로 SC-1의 전도도로 암모니아 보충을, pH로 과산화수소 보충을 제어한 예를 소개한다. 이렇게 측정값으로 보충량을 정하는 방식을 이 책은 '재서 보충'이라 부르고, 정해진 양을 정해진 간격으로 넣는 방식과 구분한다.

농도가 움직이면 무엇이 달라질까. SC-1의 식각 속도는 NH₄OH 비율에 따라 오른다. Itano 등의 측정에서 80 °C의 Si 식각 속도는 0.05:1:5에서 0.30 nm/min, 1:1:5에서 0.82 nm/min이었다. NH₄OH가 20배일 때 속도가 2.7배이므로, 두 점을 거듭제곱으로 이으면 식각 속도는 NH₄OH 농도의 약 0.34제곱에 비례한다(계산). 이 장의 시뮬레이터는 이 관계로 NH₃가 빠질 때의 식각 속도를 어림한다. 과산화수소 쪽에는 넘으면 안 되는 선이 있다. Kern은 H₂O₂가 75 % 넘게 줄기 전까지는 Si가 공격받지 않았다는 측정을 소개했다. 남은 H₂O₂ 25 %가 Si 공격선이다.

아래 시뮬레이터는 80 °C SC-1 조 하나를 여덟 시간 돌린다. 레시피의 보충량은 H₂O₂ 반감기 40분, NH₃ 손실 반감기 2시간을 가정해 정했다. 실제 조의 상태를 레시피의 가정과 다르게 바꾸어 보고, 세 가지 보충 방식이 어떻게 버티는지 보자.

그래프의 근거: H₂O₂ 분해와 NH₃ 증발, 정해진 간격의 보충과 액위계만으로는 이상을 알 수 없다는 문제는 Sematech 특허, 반감기 40분은 1:1:5 SC-1의 80 °C 측정, 금속이 분해를 촉매한다는 것은 Knotter 등에서 왔다. 뒤 4시간 ÷ 앞 4시간 보충량이 1보다 크게 오르는 것은 재서 보충에서만 보인다. 정해진 양 방식은 늘 같은 양을 넣으므로 이 비가 1이다.

농도를 재는 장비

오늘날 농도 모니터는 여러 방식이 있다(표 3). 장비사 HORIBA는 SC-1, SC-2, SPM, HF 등의 농도를 실시간으로, 모델에 따라 최대 8성분까지 재는 모니터를 배치 장비와 매엽 장비 모두에 공급한다고 소개한다. 같은 회사의 광섬유형 모델 CS-600F는 흡광 분광법과 온도 보상 다변량 분석으로 NH₃/H₂O₂/H₂O를 재고, NH₃ 0–1.20 mass %, H₂O₂ 0–5.50 mass % 범위에 네 단계 경보(HH/H/L/LL)를 둔다(장비사 자료). 황산과 과산화수소를 함께 쓰는 SPM 계열에는 PFA 관 너머로 두 성분을 동시에 재는 Raman 분광 응용이 있다. 이 자료는 손으로 시료를 뜨면 느리고 뜨는 위치에 따라 값이 다르며 사람이 약액에 노출된다고 지적하고, 측정값을 공정 제어 시스템에 보내 투입량을 조절한다고 설명한다(장비사 자료).

보충으로 못 고치는 것: 약액 수명과 교체 주기

보충은 줄어든 것을 채울 뿐 쌓인 것을 빼내지 못한다. 약액조에 쌓이는 것은 크게 셋이다. 첫째는 웨이퍼가 들고 오는 오염이다. Osaka와 Hattori는 깨끗한 SC-1에 더러운 웨이퍼를 담그면 세정 뒤 표면 금속이 웨이퍼가 용액에 가져온 금속의 양으로 정해지고, 약액을 웨이퍼마다 버려도 그렇다는 것을 보였다. 약액을 더 순수하게 만드는 것만으로는 한계가 있다는 뜻이다. 둘째는 공기다. 대기에 열린 조의 약액은 공기와 웨이퍼에서 온 불순물로 늙어 주기적으로 바꿔야 했다. 셋째는 공정이 녹여 낸 물질이다. PR Stripper에는 녹인 PR이 쌓인다.

쌓인 금속은 웨이퍼로 돌아온다. Hall의 Fab 연구에서 SC-1 약액의 금속 농도와 세정 뒤 표면 금속은 Fe, Ca, Al에서 상관 계수 0.99, Zn에서 0.97의 직선 관계였다. 조가 늙을수록 표면 금속이 비례해 오른다는 뜻이다. 게다가 금속은 과산화수소 분해를 촉매한다. 늙은 조는 더 더러울 뿐 아니라 H₂O₂를 더 빨리 잃어 보충을 더 많이 먹는다. 2절의 보충과 이 절의 교체가 서로 엮이는 지점이다.

그래서 약액에는 약액 수명(Bath life, 조를 새로 채운 뒤 바꾸기까지 쓰는 기간)이 있다. ACM Research가 소개한 배치·매엽 혼합 SPM 장비는 약액을 순환해 다시 쓰고, 정해진 수명이나 처리한 웨이퍼 수에 따라서만 바꾼다. 시간으로 정하든 매수로 정하든 질문은 같다. 너무 자주 바꾸면 새 약액과 폐액이 늘고, 너무 오래 쓰면 오염 한계를 넘거나 보충이 감당하지 못한다. 오존으로 세정액을 되살려 몇 주 넘게 쓰는 방식을 제안한 특허도 있다. 수명은 약액 화학과 장비 구성에 따라 크게 달라진다.

하루 동안 쓰는 원액을 식으로 쓰면 두 항의 합이다. 한 번 채울 때 드는 원액과 수명 동안 보충한 원액을 더하고, 하루에 몇 번 바꾸는지를 곱한다.

아래 CHALLENGE는 2절의 '재서 보충' 조를 하루 내내 돌린다. 교체 주기와 보충 간격 두 가지를 정해, 식각 속도 규격과 Si 공격선과 금속 한계를 모두 지키면서 하루 원액을 가장 적게 쓰는 조합을 찾는다. 문제마다 무엇이 발목을 잡는지가 다르다.

초순수: 18.2 MΩ·cm 다음에 보는 것들

약액을 묽히는 물도, 린스의 마지막 물도 초순수(UPW, Ultrapure water)다. 웨이퍼에 가장 많이, 가장 마지막에 닿는 액체라서 그 속의 불순물은 그대로 표면에 남을 기회를 얻는다. ITRS 2007은 초순수를 흔히 25 °C에서 비저항 18.2 MΩ·cm, 금속은 낮은 ppt 수준, 무기 음이온과 암모니아는 50 ppt 미만, 유기 음이온은 0.2 ppb 미만, 유기 탄소와 실리카는 1 ppb 미만인 물로 보고, 세균은 보통 1리터에 1개 미만이라고 적었다.

비저항 18.2 MΩ·cm가 '순수한 물의 천장'이라는 것과 그것만으로는 깨끗함을 보장하지 못한다는 것은 5장에서 보았다. IRDS는 2018년부터 비저항과 세균을 로드맵 표에서 뺐다. 비저항은 지금 목표로 하는 이온 농도 범위의 변동을 보기에 충분히 민감하지 않다는 이유다. 다만 두 항목은 현장의 운전 감시로는 여전히 쓰인다. 그 대신 로드맵이 지금 보는 숫자들이 표 4다. 유기물의 양은 TOC(Total organic carbon, 총 유기 탄소)로 나타내는데, 분석기 안에서 185 nm 자외선으로 산화해 생긴 CO₂로 잰다.

표 4의 목표값과 지점은 IRDS 2023 표 YE3에서 옮겼다. '왜 보나' 칸의 설명은 각 줄에 단 출처를 따른다.

숫자 하나하나에는 사연이 있다. 금속의 1 ppt는 사건에서 나왔다. ITRS는 초순수 속 Ca, Fe, Ni가 웨이퍼에 문제를 일으킨 세 사례를 적고, 이 원소들을 10 ppt보다 훨씬 낮게 줄여서 해결했으며 한 사례는 0.5 ppt 미만이 필요했다고 설명한다. 로드맵의 1.0~0.5 ppt가 여기서 왔다. 약액 속 금속이 표면에 얼마나 남는지는 1장의 눈금으로 다시 확인할 수 있다. 실리카는 웨이퍼 물 얼룩의 원천이고, 웨이퍼에서 녹아 나왔다 다시 쌓이는 실리카도 큰 원인이다. 콜로이드 실리카는 거르기 어렵고 금속을 흡착할 수 있어 지금은 입자로 다룬다.

H₂O₂의 3 ppb는 초순수를 만드는 장치 자신이 만든 오염이다. 유기물을 부수는 185 nm UV가 초순수 속에 H₂O₂를 30 ppb까지 만들 수 있는데, 한 실험에서 10 ppb가 1 ppb에 비해 Cu 표면의 성질을 바꾸었고, Epi 전 세정에서는 10 ppb가 표면 거칠기에 영향을 줄 수 있어 3 ppb를 목표로 두었다. 용존 산소는 게이트 전 세정, 수소로 덮이지 않은 SiO₂의 식각 속도, 그리고 Cu에 영향을 준다. ITRS는 Cu의 식각 속도가 용존 산소 300 ppb 근처에서 가장 크다고 적었고, 일부 Fab은 용존 산소를 표의 값보다 세 자릿수 높게 두고 공정 변수로 쓴다. 같은 물질이 누구에게는 오염이고 누구에게는 조절 손잡이다.

유기물 가운데에는 잘 걸러지지 않는 것이 있다. Kurita의 특허는 시 상수도로 만든 초순수에 요소(Urea)가 약 8 ppb 남아 있었다고 적었다. 요소는 높은 제거율의 RO 막에서도 약 60 %만 걸러지고 저압 UV로도 잘 분해되지 않는다. 같은 특허는 일반적인 설비가 TOC를 3~5 ppb 남긴다고 했다.

초순수는 어떻게 만드나

초순수 설비는 여러 단계가 차례로 다른 것을 빼는 사슬이다. 고전적인 구성은 응집·부상·여과로 부유물을 걷는 전처리, 역삼투(RO, Reverse osmosis) 두 단과 혼상 이온 교환으로 이온과 유기물을 빼는 1차 순수, 저장 탱크, 그리고 185 nm 저압 수은 UV로 유기물을 유기산과 CO₂로 부수고 이온 교환으로 그것을 잡은 뒤 한외 여과(UF, Ultrafiltration)로 입자를 거르는 2차(폴리시) 단계로 이루어진다. 이온 교환 수지를 약품으로 재생하는 대신 이온 교환막과 직류 전류로 계속 재생하는 전기 탈이온(EDI·CEDI, Continuous electrodeionization)도 쓰인다. Kurita의 논문은 기존 CEDI가 실리카를 75~99 %, 붕소를 50~96 %만 뺐지만, 두 모듈을 이은 구성은 공급수 전도도가 0.2~2 mS/m로 흔들리는 1년 동안 18.2 MΩ·cm 이상을 지키고 실리카 99.95 % 넘게, 붕소 99 % 넘게 뺐다고 보고했다. 아래 그림의 부품을 눌러 각 단계가 무엇을 빼고, 망가지면 무엇이 보이는지 살펴보자.

보이지 않는 입자를 세는 법

입자가 가장 어렵다. IRDS는 초순수의 치명 입자 크기를 로직 반 피치에 맞춰 전기적으로 활성인 입자의 경우 3.0 nm까지 작게 잡는다. 그런데 가장 민감한 상용 온라인 입자 계수기는 0.02 µm, 곧 20 nm에서 멈추고, 그 크기에서도 입자의 2~5 %만 센다. 약액용 계수기는 30~40 nm까지만 재고, 더 작은 입자의 수는 크기 분포를 1/d³ 꼴로 가정해 외삽하는데 IRDS는 이 외삽에 오차가 크다고 적는다. 한편 이온 교환 수지는 10 nm 입자를 1 mL당 10⁹개까지 내놓을 수 있고, 앞선 UF는 들어오는 10 nm 입자를 두세 자릿수 줄일 것으로 기대된다. 초순수 속 입자 수와 웨이퍼 결함의 관계도 있다. IRDS에 실린 한 실험에서는 초순수 속 입자 1 mL당 3,300개(그 실험의 계수 방식으로 센 값)가 300 mm 웨이퍼에 입자 하나를 남겼다.

그래서 IRDS는 '먼저 막는' 길을 택한다. 입자가 잴 수 있는 크기일 때 상류에서 감시하고, 최종 필터는 SEMI C79로 4 nm 실리카 입자까지, 5~35 nm 크기가 섞인 시험 입자로 성능을 확인하며, 이온 교환 수지가 입자를 내놓는지는 SEMI C93으로 따진다. 측정의 정밀도 문제도 있다. 순도의 평균보다 변동이 더 중요할 수 있으므로 신뢰할 만큼 사건을 세려면 더 많은 시료 부피가 필요하다. 아래 시뮬레이터는 계수기가 20 nm에서 센 숫자 하나로 치명 크기의 입자 수를 어림할 때 무엇이 불확실한지 보여 준다.

SEMI는 선폭 32 nm 이하 Fab의 초순수 품질 지침으로 F63을 두고, 설계·운전 지침 F61, 품질 감시 지침 F75와 함께 쓰도록 한다. 구체적인 값은 유료 문서에만 있어 이 책은 옮기지 않는다. 설비 안에서는 부품마다 오염 예산을 나눈다. IRDS는 배관, 밸브, 필터 같은 핵심 부품이 허용 오염의 일부, 보통 50 %만 차지해야 하고, 마지막 공급 밸브처럼 열고 닫히는 부품은 한 번 움직일 때마다 내놓는 양으로 따로 정한다고 적었다.

공기와 시간: 청정도 등급, AMC, 대기 시간

약액과 초순수 다음의 세 번째 유체는 공기다. 웨이퍼는 세정이 끝난 순간부터 다음 공정이 시작될 때까지 공기 속에서 기다린다. 공기 속의 입자는 등급으로, 분자는 농도로, 그리고 둘이 표면에 남기는 양은 시간으로 관리한다.

클린룸 공기의 입자는 ISO 14644-1의 청정도 등급(ISO class, 공기 중 입자 농도로 정한 등급)으로 나타낸다. 등급 번호 \(N\)은 9를 넘지 않고 0.1 단위의 중간 등급도 쓸 수 있으며, 분류에는 0.1~5 µm의 문턱 크기 이상인 입자의 누적 농도만 쓴다. 0.1은 µm 단위를 가진 상수이고, 한계 농도는 유효 숫자 세 자리 이하로 적는다. 2015년판은 정수 등급 아홉 개의 농도를 표 1에, 중간 등급을 표 E.1에 두고, 0.1 µm보다 작은 초미세 입자는 다른 표준에 맡긴다. 등급과 크기에서 한계 농도를 구하는 식은 다음과 같다(입자 계수기 제조사 자료에 인쇄된 꼴).

예전 미국 연방 표준 FED-STD-209E의 'Class 100'은 0.5 µm 이상 입자가 1 ft³(약 28.3 L)에 100개 이하라는 뜻이었고, 이 표준은 2001년 11월에 폐지되었다. Class 100은 ISO 5에 해당한다. ISO 5의 0.5 µm 한계 3,520개/m³에 1 ft³(0.02832 m³)를 곱하면 약 99.7개로 맞아떨어진다(계산). 2015년 개정에서는 시료 채취 지점 수를 95 % 신뢰도의 표에서 고르게 바뀌었고, 지점이 2~9곳일 때 쓰던 95 % 신뢰 상한 계산이 빠졌으며, 1,000 m²보다 넓은 방에는 식을 쓴다.

표의 값은 입자 계수기 제조사 자료에 실린 ISO 14644-1 표에서, 아래 줄은 위 식으로 계산했다. 세 자리로 줄이면 표의 값과 같다.

등급이 정하는 것은 방 전체의 공기다. 그런데 웨이퍼가 실제로 닿는 공기는 그보다 작은 공간에 있다. ITRS 2007은 웨이퍼 환경의 입자를 ISO 2등급, 2010년부터 ISO 1등급으로 정하면서 이것이 '반드시 클린룸 자체는 아니'라고 적었다. 같은 문서는 공기와 기체 속 입자 크기 분포를 \(f(x) = K/x^{n}\), \(n = 2.2\)로 둔다. 웨이퍼를 담는 FOUP과 장비 앞의 작은 청정 공간이 방보다 깨끗해야 하고, 그 공간을 따로 관리해야 한다는 뜻이다.

분자는 등급으로 잡히지 않는다

입자 계수기는 2장에서 본 공기 중 분자 오염(AMC)을 보지 못한다. AMC는 웨이퍼가 놓이는 자리와 다음 공정에 따라 한계가 다르다. ITRS 2007의 웨이퍼 환경 표(2007년 칸)는 게이트·퍼니스 앞에서 금속 합계 1 pptV, 도펀트 10 pptV, 유기물은 하루 2 ng/cm²로 두고, 실리사이드 앞에서는 무기산 합계 100 pptV, Cu가 드러난 공정에서는 무기산 합계 500 pptV, 그 밖의 부식성 물질 1,000 pptV, H₂S 1,000 pptV, 황 화합물 합계 10,000 pptV를 두었다. IRDS 2023은 검사 장비 주변의 산·염기 AMC를 1~2 ppbv로 지키라고 권하면서, 클린룸 전체의 한계는 Fab마다 건물을 다루는 방식이 달라 표에서 뺐다고 적는다. 깨끗한 환경을 분자 오염 농도로 나누는 표준으로는 SEMI F21이 있다(등급의 값은 공개 페이지에 없다).

재는 일도 쉽지 않다. 온라인 분석이 없으면 시료를 4시간 이상 24시간 이하로 모아 평균을 내고 감도를 얻으라는 지침이 있다. IRDS는 HCl, HF, NH₃, 총 산·염기 등을 100 ppt보다 훨씬 낮게 잴 분석기가 필요하다고 적고, 여러 물질을 묶은 합계는 영향이 큰 한 물질을 가려 오해를 부를 수 있다고 경고한다. 표면에 실제로 무엇이 쌓였는지는 일정 시간 노출한 증인 웨이퍼로 확인한다(8절).

대기 시간은 Dose다

IRDS는 AMC가 표면에 남기는 영향이 대부분 농도 × 시간, 곧 Dose에 따른다고 보고, 물질마다 표면 한계에 닿는 시간을 모델로 계산해 실었다. 표면 한계는 게이트 스택 앞의 유기물 5×10¹¹ at/cm², 세정 뒤 대기에 노출될 때 생길 수 있는 S/D의 탄소 5×10¹³ at/cm², 산화제 1×10¹⁰ at/cm² 같은 값이다. Dose 개념을 식으로 쓰면 다음과 같다.

IRDS의 표가 이 비례를 보여 준다(표 6). 모델 물질 DEP는 1,000 pptv에서 22초, 100 pptv에서 228초 만에 게이트 앞 유기물 한계에 닿는다. 농도가 1/10이 되자 시간이 10.4배가 되었다(계산). 한 자릿수의 농도 차이가 한 자릿수의 Q-time 차이가 된다는 뜻이다.

DEP·DOP 값은 IRDS 2023 표 YE-3b, O₃ 값은 IRDS 2024 표 YE-3c에서 옮겼다. PDF에서 표의 배치가 어긋나 있어 빈칸은 '한계에 닿지 않음'으로 읽었다. 끓는점이 높은 DOP 같은 유기물이 게이트 산화·Poly 증착·질화막 핵 생성에 민감할 수 있다는 설명은 ITRS에 있다.

2장에서 대기 시간(Q-time)을 '공정 변수'로 보았다. ITRS는 Q-time이 Epi, Ge, SiGe, 실리사이드 전 단계에서 중요하다고 인정하면서도 로드맵 지표가 아닌 생산 관리 문제로 다룬다. 양산에서 Q-time은 '세정이 끝난 뒤 다음 공정을 시작해야 하는 시한'으로 시스템에 걸린다. 장비사 특허 하나는 Epi 전의 오염 제거 단계와 세정 단계 사이의 대기 시간 예로 8~12시간, 한 실시예에서 약 2~3시간을 든다(특허의 예). 세정 뒤만 문제가 아니다. CMP 뒤 대기 시간에 따른 TDDB 수명은 묽은 HF 세정에서는 10일까지 비슷했지만 유기산 세정에서는 4일까지만 비슷했다. 같은 Q-time이라도 앞 세정이 남긴 표면에 따라 허용 시간이 달라진다. W CMP 뒤 세정을 기다리며 물 탱크에 둔 웨이퍼에서는 빛이 W 플러그 부식을 일으켰고, Q-time을 넘긴 로트에서 부식 불량이 나왔다. 노란 조명으로 바꾸자 허용 Q-time이 늘었지만 문제가 완전히 사라지지는 않았다. 기다리는 환경을 바꾸면 한계 시간이 바뀐다는 사례다.

기다리는 환경을 바꾸는 대표적인 방법이 질소다. IRDS는 대기 중에서 웨이퍼를 다루는 구간의 FOUP 정화와 AMC 관리를 권하고, 공정이 민감해질수록 불활성 보관·이송 환경이 늘어날 것으로 본다. 다만 환경이 건조할수록 정전기가 늘어난다는 대가가 있다.

SPC: 관리 한계는 공정에게, 규격 한계는 제품에게

지금까지 본 약액 농도, 초순수 수질, 공기 등급, 모니터 웨이퍼의 식각량과 입자 수는 모두 시간에 따라 흔들리는 숫자다. 흔들림 가운데 어디까지가 늘 있는 우연이고 어디부터가 무언가 변한 신호인지 가르는 도구가 SPC(Statistical Process Control, 통계적 공정 관리)이고, 그 중심에 관리도(Control chart)가 있다. 관리도는 중심선과 그 위아래의 관리 한계를 그은 시간 그래프다. 공정에 우연한 원인만 작용할 때 3σ 한계 밖에 점이 찍힐 확률은 양쪽을 합쳐 0.0027이다. 한계 안의 점이라도 무작위가 아니면 신호가 될 수 있다. 예를 들어 30점 가운데 25점이 중심선 위에 있다면 그렇다. Shewhart 관리도는 중심선을 평균에, 한계를 평균 ± kσ에 두고, 업계 표준은 k = 3이다.

가장 흔한 혼동은 관리 한계와 규격 한계다. NIST의 정리를 옮기면, 관리 한계(Control limit)는 공정이 통계적으로 관리되는 상태에 있는지, 곧 꾸준히 같은 결과를 내고 있는지를 판단하는 데 쓰고, 규격 한계(Specification limit)는 제품이 의도대로 작동할지를 판단하는 데 쓴다. 관리 한계는 공정의 데이터에서 나오고 규격 한계는 제품의 요구에서 나온다. 둘은 서로 다른 질문에 답한다(그림 4).

세정 데이터에는 데이터의 생김새에 맞는 관리도가 따로 있다(표 7). 모니터 웨이퍼 한 장의 식각량처럼 런마다 값이 하나뿐이면 개별값 관리도를 쓴다. 이웃한 두 값의 차이(이동 범위)의 평균으로 σ를 어림한다. 웨이퍼 한 장의 입자 수처럼 개수를 세는 데이터는 Poisson 분포를 따르므로 c 관리도를 쓴다. NIST의 예에서 웨이퍼 25장의 평균 결함이 16개면 상한은 28, 하한은 4다. 서서히 움직이는 드리프트를 일찍 잡으려면 지난 값들에 지수적으로 줄어드는 무게를 주어 평균한 EWMA(Exponentially Weighted Moving Average, 지수 가중 이동 평균) 관리도를 쓴다. λ는 보통 0.2~0.3이고, Shewhart 관리도가 놓치는 작고 점진적인 이동에 민감하다.

관리 한계 밖의 점 하나만 보는 것보다 더 민감한 규칙들이 있다. 흔히 WECO라 부르는 Western Electric 규칙은 3σ 밖의 한 점, 연속 3점 가운데 2점이 같은 쪽 2σ 밖, 연속 5점 가운데 4점이 같은 쪽 1σ 밖, 중심선 한쪽의 연속 8점을 신호로 본다. 6점 연속 증가·감소, 14점이 번갈아 오르내림 같은 규칙도 쓴다. 대가는 거짓 경보다. 3σ 규칙만 쓰면 평균 371점마다 한 번 거짓 경보가 나지만, WECO 규칙을 더하면 약 91.75점마다 한 번으로 잦아진다. 한계를 정하는 데에도 규칙이 있다. Shewhart는 크기 4인 표본 25개 이상이 관리 상태일 때까지 관리 상태라고 결론 내리지 말라고 했고, 한계는 공정 변화 없이 30점 이상이 더 쌓였거나, 큰 공정 변화가 있었거나, 원인을 알고 막을 수 있는 사건이 있었을 때처럼 이유가 있을 때만 다시 계산한다.

아래 애니메이션에서 앞의 25런은 한계를 정하는 데 쓰고, 41번째 런부터 이상을 넣는다. 규칙을 바꾸며 어느 쪽이 먼저, 그리고 얼마나 자주 헛되이 울리는지 보자.

관리 상태인 공정이 규격을 얼마나 여유 있게 지키는지는 공정 능력 지수로 나타낸다. 규격 폭을 공정 폭 6σ로 나눈 것이 Cp, 평균이 가까운 쪽 규격까지의 거리를 3σ로 나눈 것이 Cpk(Process capability index, 공정 능력 지수)다. 평균이 가운데 있을 때 Cp 1.00이면 불량이 0.27 %, 1.33이면 64 ppm, 1.66이면 0.6 ppm, 2.00이면 2 ppb다. 지수를 믿을 만하게 구하려면 독립된 값이 약 50개 필요하다.

장비 사양서도 비슷한 언어를 쓴다. KCTech는 배치 세정 장비의 사양으로 열산화막 웨이퍼의 식각 속도 균일도를 웨이퍼 안·웨이퍼 사이 3 % 이하, 챔버 사이 3.0 % 이하로 소개한다(장비사 주장). 약액과 가스의 순도에도 SPC가 쓰인다. IRDS는 TEOS나 무수 HCl 같은 핵심 공정 기체·액체에 3σ 한계의 SPC가 2005년 무렵부터 쓰였고, 수율 향상은 평균 오염을 낮추는 것보다 변동을 줄이는 데서 더 올 수 있으며, 업계 전체에 공통된 '관리 상태' 기준은 아직 없다고 적었다.

FDC와 APC: 무엇을 자동으로 고칠 수 있나

SPC가 결과를 지켜본다면, 장비 자체의 신호를 지켜보는 것이 FDC(Fault Detection and Classification, 이상 감지·분류)다. 약액 유량, 압력, 온도, 회전 속도, 밸브의 응답 시간, Megasonic 출력 같은 센서 신호를 정상일 때의 모습과 비교해 벗어나면 알리고, 어떤 종류의 이상인지 가른다. 1절의 '아침 첫 장'처럼 쉬는 동안 배관의 약액 온도가 바뀌는 문제는 웨이퍼를 재기 전에 장비 신호(쉰 시간, 노즐 온도)로 먼저 보인다. 다만 경보 하나가 곧 웨이퍼 불량을 뜻하지는 않는다. 같은 시간축의 웨이퍼 결과와 이어 보아야 한다. IRDS의 가상 계측 백서도 이상 감지가 '수율을 아는' 쪽으로 나아가야 한다고 적는다.

한 걸음 더 나가 결과를 보고 다음 처리 조건을 바꾸는 것이 APC(Advanced Process Control, 고급 공정 제어)이고, 그 대표 방법이 R2R(Run-to-Run control, 런마다 조건을 고치는 제어)이다. IRDS·NIST 백서는 R2R을 런과 런 사이에 레시피 변수나 제어 변수의 선택을 바꾸는 기법으로 정의하고, 런은 배치, 로트, 웨이퍼 한 장일 수 있다고 적는다. 처리 전의 측정을 쓰는 Feedforward(앞먹임, 들어오는 상태로 미리 조정)와 처리 뒤의 측정을 쓰는 Feedback(되먹임, 지난 결과로 다음을 조정)을 함께 쓸 수 있다. 모든 웨이퍼를 재지는 않으므로 제어기의 효과가 떨어지는데, 이 빈틈을 공정·센서 데이터로 처리 결과를 예측하는 가상 계측(VM, Virtual metrology)이 메운다.

세정에서 R2R의 생각은 오래되었다. 2절의 Sematech 특허는 약액 농도를 지키는 대신 농도를 재서 처리 시간을 바꿔 보상하는 길을 함께 적었다. 들어오는 산화막 두께로 제거 시간을 정하는 것이 Feedforward, 세정 뒤 남은 막의 오차를 다음 런에 반영하는 것이 Feedback이다. 이웃한 공정의 결과도 있다. CMP에서는 EWMA로 모델을 갱신하는 R2R 제어가 큰 제거 속도 드리프트를 보상했고 같은 모델이 여러 장비에서 몇 달 동안 통했다. Sachs 등은 정비 뒤처럼 갑자기 옮겨 간 경우를 다루는 빠른 모드와 반응기에 무언가 쌓이며 서서히 움직이는 경우를 다루는 점진 모드를 두고, 둘 중 무엇을 쓸지를 SPC로 정하는 제어기를 만들었다. 에피 공정 시연에서 빠른 모드는 3런 안에 회복했고 점진 모드는 변동을 2.7배 줄였다. 경보를 울리는 SPC와 조건을 고치는 제어가 하나로 묶인 셈이다.

그런데 고칠 것이 없는 데서 고치면 어떻게 될까. 가장 단순한 R2R 제어기는 지난 런의 오차에 무게 λ를 곱해 다음 런 조건에서 뺀다. 공정은 그대로이고 결과에는 우연한 흩어짐 σ만 있다고 하자. 그러면 결과의 분산을 정확히 계산할 수 있다(원리에서 나온 계산).

보정이 과하거나 늦어서 결과가 목표 주위를 되풀이해 오가는 것을 Hunting(보정 결과가 목표 주변을 반복해서 오감)이라 한다. 먼저 답을 골라 보자.

그렇다면 세정의 무엇을 자동 보정에 맡길 수 있을까. 가상 계측 백서는 식각 속도와 증착 속도는 예측하기 쉽지만 균일도, 입자 검출, CMP 흠집, 응력은 어렵다고 평가한다. 그리고 공정이 드리프트하는 것처럼 보이면 측정 빈도를 높이는 똑똑한 표본 추출을 권한다. 세정으로 옮기면 제거량이나 잔막처럼 속도의 성격을 가진 양은 R2R에 맞고, 드물게 튀는 입자는 FDC와 SPC로 원인을 가두는 쪽이 맞다(백서의 평가를 세정에 옮긴 이 책의 해석). 표 8로 정리했다.

자동 보정을 쓰는 곳에서는 울타리를 친다. 한 번에 바꿀 수 있는 최대량과 보정의 위아래 한도, 오래된 측정값이나 튀는 값을 쓰지 않는 규칙, 제품·막·챔버마다 나눈 모델, 정비 뒤의 초기화 기준 같은 것이다. 이 목록은 이 책이 정리한 교육용 틀이며 실제 기준은 조직마다 다르다. 근거가 되는 생각은 앞의 연구들에 있다. Sachs 등은 SPC로 갑작스러운 이동을 확인한 때에만 크게 고치게 했고, 백서는 측정하지 않은 웨이퍼가 제어기의 효과를 떨어뜨린다고 지적했다. 시뮬레이터에서 본 것처럼 측정 잡음을 실제 변화로 오인하면 보정이 변동을 키운다.

모니터 웨이퍼와 협업: 데이터를 같은 시간축에

관리도에 찍을 값은 어디서 오는가. 제품 웨이퍼를 매번 잴 수는 없고, 패턴이 있는 제품으로는 세정 한 번의 손실이나 장비가 더한 입자를 정확히 재기도 어렵다. 그래서 세정 공정은 측정을 위한 웨이퍼, 곧 모니터 웨이퍼(Monitor wafer, 장비와 공정을 감시하려고 흘리는 비제품 웨이퍼)에 크게 기댄다. 이런 웨이퍼는 1장에서 본 비제품 웨이퍼(NPW)의 한 갈래이고, 막을 벗겨 다시 쓰기도 한다. 표 9는 모니터의 종류와 그것이 답하는 질문이다.

모니터에도 비용이 든다. KLA는 검사기가 뿌연 배경(Haze)에 강할수록 시험 웨이퍼를 더 오래 다시 쓸 수 있다고 소개한다(장비사 자료). 막 손실 모니터는 한 번의 세정이 Å 아래를 깎기 때문에 여러 번 되풀이해 평균해야 한다는 점도 기억하자. ITRS가 세정 한 번의 손실을 블랭킷 시험 웨이퍼에서 여러 단계를 평균한 값으로 정의한 이유다. 장치와 원리는 9장에서 자세히 다룬다.

관리도가 울렸을 때 그다음은 사람의 일이다. 이 책은 이상이 생긴 로트를 다루는 흐름을 '범위를 묶는다 → 처리 전 시료를 보존한다 → 원인을 가른다 → 막 손실까지 확인하며 회복한다 → 근거를 남기고 내보낸다'로 정리한다. 이것은 교육용 틀이고 실제 승인 절차와 용어는 조직마다 다르다. 이상 로트를 곧바로 다시 씻으면 원래의 결함과 화학적 증거가 사라질 수 있다는 점이 핵심이다. 자세한 진단 순서는 11장에서 다룬다.

세정 엔지니어는 앞뒤 공정의 요구와 장비·분석 데이터를 잇는 자리에 있다. 공정 엔지니어는 제거할 것과 지킬 것, 최종 표면의 목표와 레시피·관리 기준을 정하고, 장비 엔지니어는 펌프·밸브·노즐·필터·이송·건조·센서의 안정성을 맡는다. 문제는 대개 두 영역이 겹치는 곳에서 생긴다. 표 10은 이 책이 정리한 주고받을 정보다.