종말점·계측·챔버 관리

언제 멈추나: 종말점과 과식각

벽에 칠한 페인트를 사포로 벗겨 낸다고 해 보자. 페인트 밑의 벽지 색이 보이기 시작하면 멈추면 된다. 그런데 페인트가 고르게 칠해져 있지 않다면, 얇은 곳에서는 벌써 벽지가 드러났는데 두꺼운 곳에는 아직 페인트가 남아 있다. 남은 페인트를 마저 벗기려고 계속 문지르면 먼저 드러난 벽지는 긁힌다. 식각의 종말점 문제가 바로 이 모양이다. 깎을 막이 페인트, 그 아래에서 식각을 받아 내는 정지막이 벽지, 벽지 색을 알아보는 눈이 이 장에서 다룰 종말점 센서다.

그냥 시간으로 멈추면 안 될까? 막의 두께와 식각 속도를 정확히 안다면 시간 = 두께 ÷ 속도로 끝이다. 문제는 둘 다 흔들린다는 데 있다. Williams와 Muller는 플라즈마 식각 속도를 바꾸는 요인으로 전력, 압력, 기체 유량, 온도, 표면을 막는 막, 경과 시간, 챔버 안의 재료와 그 변화, 오염, 불순물, 막의 미세 구조와 응력, 드러난 면적, 패턴의 형상까지 열네 가지를 꼽는다. 막 두께도 앞 공정인 증착의 산포만큼 흔들린다. 시간으로만 멈추면 이 흔들림이 그대로 결과가 된다(원리에서 나온 해석). 그래서 식각 레시피는 대개 여러 단계로 나누고, 깎을 막이 사라지는 때를 센서로 알아낸다.

Lam Research의 게이트 식각 특허가 전형적인 단계를 보여 준다. 먼저 표면의 자연 산화막 같은 얇은 층을 뚫는 Breakthrough(BT, 뚫기 단계), 다음으로 막의 대부분을 빠르게 깎는 주 식각(Main etch, ME), 마지막으로 정지막 위에 남은 막을 더 느리고 선택비가 매우 높은 조건으로 마무리하는 과식각(Over-etch, OE)이다. 주 식각을 끝낼 때를 알려 주는 신호의 변화가 종말점(Endpoint)이고, 그 순간을 센서 신호로 판정하는 일을 종말점 검출(Endpoint detection, EPD)이라 한다. 과식각의 크기는 보통 백분율로 말한다. 고종횡비 식각을 모사한 한 연구는 '10% 과식각'을 바닥에 닿는 데 걸린 시간의 10%만큼 더 깎는 것으로 정의하고, 과식각은 대개 바닥에 남은 경사(Taper)를 없애려고 한다고 적는다. 공정별 단계 구성과 화학은 9장 응용 공정에서 자세히 본다.

그림 1이 이 장 전체의 요약이다. 웨이퍼 위의 모든 자리가 같은 순간에 정지막에 닿지는 않는다. 막이 얇거나 빨리 깎이는 자리가 먼저 열리고, 두껍거나 느린 자리가 나중에 열린다. 센서가 보는 신호는 열린 자리가 늘어나는 동안 서서히 바뀐다. 그래서 종말점 검출은 '막이 사라진 한 점'을 찾는 일이 아니라 '막이 사라지는 변화가 신호에 나타난 때'를 찾는 일이다. 종말점을 판정한 뒤에도 아직 덜 열린 자리가 남아 있으므로 과식각이 필요하고, 과식각 동안 먼저 열린 자리는 정지막을 잃는다.

과식각이 너무 적으면 막이 남고, 너무 많으면 아래가 상한다. SK hynix의 해설은 플라즈마가 지나치거나 시간 제어가 나빠 생긴 과식각이 아래 막을 물리적으로 손상시키고, 덜 깎으면 뒤따르는 이온 주입이 막힌다고 정리한다. Gottscho 등은 웨이퍼 안의 미세한 불균일이 '덜 열려서 잃는 칩'과 '과식각 손상으로 잃는 칩' 사이의 균형을 정한다고 보았다. 좁고 깊은 패턴이 넓은 패턴보다 느리게 깎이는 ARDE(8장)가 있으면 그 패턴까지 열기 위해 과식각을 더 해야 하고, 그만큼 선택비와 저손상 요구가 커진다. 과식각은 결국 균일도, 선택비, 종말점의 정확도를 함께 놓고 정하는 예산이다. 이 예산을 4절에서 직접 짜 본다.

멈출 때를 아는 방법은 몇 가지가 있다. 강의 자료는 종말점 신호로 막에서 반사된 빛의 간섭, 반응 생성물이 사라지는 것(배기 가스의 질량 분석이나 OES로 본다), 반응물이 늘어나는 것을 든다. 표 1에 정리했다.

OES: 플라즈마의 색이 바뀌는 순간

플라즈마가 빛나는 것은 전자에 부딪혀 들뜬 원자와 분자가 원래 상태로 돌아오며 빛을 내기 때문이다(3장). 빛의 파장은 내는 종마다 정해져 있다. 그러니 플라즈마의 빛을 파장별로 나눠 보면 지금 챔버 안에 무엇이 얼마나 있는지 짐작할 수 있다. 이것이 광방출 분광(Optical emission spectroscopy, OES)이다. OES 종말점은 물질마다 정해진 파장의 빛을 지켜보다가, 식각이 새 층에 닿아 그 세기가 바뀌는 순간을 잡는다. 플라즈마 공정의 역사를 정리한 Lieberman의 강연은 OES 종말점이 이미 1960년대 RF 스퍼터링의 노하우에 들어 있었다고 적고, 2024년의 식각 로드맵 논문은 OES가 실시간이고 공정을 건드리지 않아 1970년대부터 양산 식각의 종말점 검출에 거의 유일하게 쓰여 왔다고 정리한다.

장치는 단순하다. 챔버 벽의 창으로 나온 빛을 분광기로 보내 파장별 세기로 나눈다. Oxford Instruments의 종말점 장치는 190~900 nm를 보는 분광기를 쓴다. 다만 신호를 읽는 일은 단순하지 않다. 빛의 세기는 그 종의 밀도뿐 아니라 그 종을 들뜨게 하는 전자에도 달려 있어서, 해석하려면 빛이 어디서 어떻게 나오는지 이해해야 한다.

어떤 선을 볼지는 깎는 막이 정한다. 특허에 적힌 예를 모으면 표 2가 된다. 깎을 막이 사라지면 그 막에서 나오던 생성물(CO, SiF, AlCl …)의 빛은 줄고, 막에 소비되던 반응물(F)의 빛은 는다. Si를 SF₆로 식각하는 예에서는 막이 다 깎이는 순간 440 nm의 SiF 띠는 줄고 687·703 nm의 F 선은 는다. 같은 특허는 빛이 없는 445 nm를 배경 채널로 함께 재어 비를 만든다. Tokyo Electron의 특허는 종말점에서 줄어드는 종과 느는 종을 하나씩 골라 그 비와 미분을 쓰면 신호 대 잡음비가 좋아진다고 하고, Savitzky–Golay 같은 평활 필터를 비교한다. 두 선이 반대로 움직이니 비를 잡으면 변화가 커지고, 두 선에 함께 들어온 흔들림은 나눗셈에서 지워진다(원리에서 나온 해석).

열린 면적이라는 벽

OES의 가장 큰 약점은 깎이는 면적이다. Oxford Instruments는 검출할 만큼의 식각 생성물이 나오려면 보통 수 cm²의 식각 면적이 필요하다고 적는다. 웨이퍼 넓이 가운데 실제로 깎이는 넓이의 비율을 열린 면적(Open area, 개구율)이라 한다. Applied Materials의 특허는 열린 면적을 식각 면적 ÷ 웨이퍼 면적으로 정의하고, 기존 단일 파장 방법은 흔히 열린 면적 약 30% 이상에서만 쓸 수 있었는데 패턴이 작아지며 1%까지 내려갔다고 적는다. 300 mm 웨이퍼의 넓이는 약 707 cm²이므로 열린 면적 1%는 약 7 cm²다(계산). '수 cm²'라는 문턱의 바로 언저리다. 콘택이나 비아처럼 작은 구멍만 뚫는 층이 대표적이다.

열린 면적이 작아지면 신호는 얼마나 작아질까? 먼저 답을 골라 보자.

그래프의 근거: 학습용 모델이다. 생성물의 발광 = 배경 + k × 열린 면적 × (아직 덜 열린 비율)로 두고, 40%에서 20% 떨어지도록 k를 맞췄다. 잡음은 두 그래프에 같은 크기(0.8%)를 넣었다. 열린 면적과 단일 파장 방법의 한계는 특허와 장비사 자료를 따랐다.

왜 이렇게 될까. 생성물이 나오는 양은 깎이는 넓이에 식각 속도를 곱한 만큼이다. 반면 플라즈마 자체가 내는 배경 빛과 플라즈마의 흔들림에서 오는 잡음은 열린 면적과 상관없이 그대로다. 그래서 종말점에서 신호가 바뀌는 비율은 열린 면적에 거의 비례해 줄고, 잡음은 그대로 남는다(원리에서 나온 해석). 면적이 작으면 반응종이 덜 소비되어 식각 속도가 조금 오를 수는 있지만(8장의 로딩), 생성물의 총량은 여전히 면적이 정한다. 아래 시뮬레이터에서 열린 면적, 웨이퍼 안 불균일, 잡음, 신호 처리 방법을 바꾸며 종말점을 몇 번이나 제대로 잡는지 확인하자.

단일 파장으로 안 되면 파장을 많이 쓴다. 앞의 Applied Materials 특허는 전 스펙트럼에 적응 필터를 걸어 열린 면적 40%, 10%, 4%, 1%에서 종말점을 잡았다. MIT 연구진은 OES 전 스펙트럼에 주성분 분석(PCA) 기반의 T²·Q 통계를 적용해 열린 면적이 작은 콘택·비아 식각의 종말점을 자동으로 잡았고, 국내 연구진은 변형 K-means 군집 분석으로 열린 면적 1.0%인 SiNx 식각의 종말점을 잡으며 CN 관련 단일 파장보다 감도를 5배 높였다. 방법은 달라도 생각은 같다. 종말점에서 함께 움직이는 여러 파장을 묶어 보면 신호는 쌓이고 서로 상관없는 잡음은 평균되어 줄어든다(원리에서 나온 해석). 시뮬레이터의 「CO ÷ F 비」가 그 가장 단순한 형태다.

레이저 간섭계: 줄무늬를 세어 두께를 읽는다

OES가 챔버 전체의 빛을 본다면, 레이저 간섭계 종말점(Laser interferometric endpoint)은 웨이퍼의 한 점만 본다. 레이저를 웨이퍼의 한 점에 모아 반사된 빛의 세기를 기록한다. 막이 깎이는 동안 반사 세기가 박막 간섭 때문에 오르내리며 출렁이고, 그 출렁임으로 식각 속도를 재며 층 안의 원하는 깊이에서 멈출 수 있다. 층의 경계는 반사율이 갑자기 바뀌는 것으로 보인다. Oxford Instruments의 장치는 670 nm와 980 nm 레이저를 쓰고, 빛의 점을 알맞은 자리에 맞추려고 카메라를 단다.

원리는 비눗방울의 무지개색과 같다. 빛은 막의 윗면에서 한 번, 막과 기판의 경계에서 한 번 반사되고, 두 빛이 겹치며 서로 보강하거나 상쇄한다. 막을 여러 번 오가는 빛까지 모두 더하면 단일 막의 반사 계수는 다음과 같다.

막 두께 \(d\)는 위상 \(\delta\) 안에만 들어 있다. \(\delta\)가 \(2\pi\) 늘 때마다 \(R\)이 같은 값으로 돌아오므로, 막이 \(\lambda/2n_1\)만큼 깎일 때마다 반사율이 한 번 오르내린다(위 식에서 나온 계산). 이것이 간섭계의 눈금이다. Malitson의 분산식으로 계산한 산화막의 굴절률은 670 nm에서 약 1.456, 980 nm에서 약 1.451이므로, 줄무늬 한 주기는 670 nm에서 약 230 nm, 980 nm에서 약 338 nm의 산화막에 해당한다(계산). 굴절률이 약 2.0인 질화막은 670 nm에서 약 167 nm다(계산). 줄무늬 주기가 69초였다면 670 nm로 본 산화막의 식각 속도는 230 nm ÷ 69 s ≈ 200 nm/min이다(계산). 앞 절의 특허가 말한 'CO 발광이 검출 파장의 약 절반 두께를 깎는 시간을 주기로 출렁이는' 현상도 같은 식으로 이해된다.

간섭계만의 장점은 막이 끝나기 전에 멈출 수 있다는 것이다. OES는 새 층이 드러나야 빛이 바뀌므로 '막이 사라진 때'만 알 수 있다(원리에서 나온 해석). 간섭계는 지나간 줄무늬를 세어 지금까지 깎은 두께를 알 수 있다. Lam의 게이트 식각 특허는 게이트 산화막에 대한 선택비가 낮은 Breakthrough 화학을 쓰면서, 간섭계 종말점으로 게이트 산화막 약 40 nm 위에서 멈추고 나머지를 선택비가 높은 단계로 넘긴다. 반대로 약점은 한 점만 본다는 것이다. 빛의 점을 알맞은 자리에 맞춰야 하고, 패턴이 있는 자리에서는 여러 높이에서 반사된 빛이 섞여 신호가 복잡해진다. 열린 면적이 작아 OES가 어려울 때 간섭계가 대안이 되는 이유와 한계가 여기에 있다.

두 방법을 나란히 놓으면 표 3과 같다. 양산에서는 웨이퍼 전체를 보는 OES로 '언제 막이 사라졌나'를 잡는 경우가 많고, 막 중간에서 멈춰야 하거나 열린 면적이 너무 작을 때 간섭계를 쓴다. 박막 간섭의 물리와 분광 반사로 막 두께를 재는 법은 CVD 책 10장 「빛의 간섭으로 두께 읽기」에 자세하다.

균일도와 과식각 예산

과식각을 얼마나 할지는 웨이퍼 안에서 막이 열리는 시각이 얼마나 퍼져 있는지에 달려 있다. 그 퍼짐을 숫자로 말하는 것이 균일도(Uniformity)다. 먼저 조심할 점이 있다. 균일도에는 정의가 여러 가지다. 대학 연구 시설의 장비 인수 시험 자료는 웨이퍼 안 균일도를 100·(최대 − 최소)/(2·평균)으로 정의하고, Applied Materials의 특허는 식각 속도 불균일을 (최대 − 최소)/(최대 + 최소)로 쓴다. Lam Research의 특허는 흔히 보고하는 값이 49점으로 계산한 3·표준편차/평균(%)이라고 적으면서, 이 숫자 하나는 모든 점을 눌러 담아 가운데가 빠른지, 방위각에 따라 다른지 같은 공간 모양을 보여 주지 못한다고 지적한다. 같은 데이터라도 정의에 따라 숫자가 다르다. 3σ 값은 1σ 값의 세 배이고, 최대·최소로 만든 값은 두 점에만 달려 튀는 점 하나에 크게 흔들린다(원리에서 나온 해석). 그래서 균일도를 말할 때는 정의, 측정 점 수, 가장자리에서 몇 mm를 뺐는지를 함께 적고, 숫자와 함께 지도의 모양을 본다.

숫자의 크기를 보자. 1996년 200 mm 웨이퍼의 poly-Si 게이트 식각 최적화 연구에서 최적 조건의 식각 속도 불균일은 6.5%(3σ)였다. 오늘날 첨단 공정은 웨이퍼 가장자리 3 mm 안쪽까지 깊이와 CD를 1 nm(3σ) 미만으로 맞추기를 요구한다. 가장 어려운 곳은 가장자리다. 웨이퍼가 끝나는 곳에서는 화학, 이온 플럭스, 온도가 모두 불연속이 되기 때문이다. 한 강의 자료의 예에서 CCP의 전극 간격을 바꾸자 가운데가 빠르던 산화막 식각이 가장자리가 빠르게 뒤집혔고, 가장자리 식각 속도의 변화(약 −8%)가 이온 플럭스의 변화(약 −7%)와 함께 움직였다. 장비는 다영역 ESC 온도 제어 같은 손잡이로 이것을 다듬는다. 2 mm의 Edge exclusion을 지키려고 가장자리를 둘러싼 Edge ring을 자주 바꾸고, 링이 깎이면 웨이퍼 바깥 가장자리가 더 빨리 식각되는 경향이 생긴다. 장비 쪽 이야기는 7장과 이 장의 6절에서 다시 만난다.

과식각 예산 짜기

이제 계산해 보자. 막 두께가 평균 \(d\)에서 ±\(T\)(비율), 식각 속도가 평균 \(R\)에서 ±\(U\)만큼 흔들린다고 하자. 가장 일찍 열리는 자리는 얇고 빠른 자리, 가장 늦게 열리는 자리는 두껍고 느린 자리다.

MIT 강의의 예제가 이 계산을 그대로 보여 준다. 0.4 µm 산화막의 두께와 식각 속도가 각각 ±5%라면 가장 늦은 자리는 평균의 1.05/0.95 = 1.105배 시간이 걸려 10.5%의 추가 시간이 필요하다. 그리고 어디서든 아래 Si의 손실을 5 nm 이하로 지키려면 산화막:Si 선택비가 16:1이어야 한다. 왜 16일까. 가장 먼저 열린 자리는 0.95/1.05 ≈ 0.905배 시간에 열리므로 1.105 − 0.905 = 0.2배, 곧 산화막 80 nm를 깎을 시간 동안 Si가 드러나 있다. 80 nm ÷ 16 = 5 nm다(계산). 아래 시뮬레이터는 이 계산을 웨이퍼 지도 위에서 한다.

근거: 과식각과 선택비의 계산은 MIT 강의 예제와 Portland State 강의 자료의 일반식을 따랐다. 시뮬레이터는 정지막이 그 자리의 식각 속도로 깎인다고 두어(MIT 예제는 평균 속도를 썼다) 같은 조건에서 손실이 5%쯤 더 크게 나온다.

시뮬레이터의 ④는 중요한 교훈이다. 과식각 예산을 정하는 것은 두께와 속도 각각의 산포가 아니라 그 둘이 겹친 결과, 곧 막이 열리는 시각의 산포다. 증착이 가운데를 두껍게 만들고 식각이 가운데를 빨리 깎는다면 둘이 서로 메워 준다. 반대로 둘이 같은 쪽을 늦게 만들면 산포가 더해진다(원리에서 나온 해석). 그래서 식각만 보지 않고 앞 공정의 두께 지도와 함께 보며, 2절의 OES가 종말점을 늦게 잡는 만큼(필터 지연)도 예산에 넣는다.

계측: 위에서 보고, 잘라 보고, 빛으로 푼다

종말점이 '언제 멈출지'를 정한다면, 계측은 '제대로 됐는지'를 판정한다. 식각 뒤에 확인할 것은 많다. 목표 깊이에 닿았는지, 선폭이나 구멍 지름(CD)이 맞는지, 위와 바닥의 CD가 얼마나 다른지, 측벽이 곧은지 휘었는지, 마스크가 얼마나 남았는지, 정지막을 얼마나 잃었는지, 그리고 이 값들이 웨이퍼의 어디에서 어떻게 다른지다. 한 가지 장비로 이것을 다 잴 수는 없어서, 위에서 보는 장비, 잘라서 옆에서 보는 장비, 빛의 스펙트럼으로 모양을 거꾸로 풀어내는 장비를 함께 쓴다.

CD-SEM: 위에서 본 폭

선폭을 가장 많이 재는 장비는 CD-SEM(Critical dimension scanning electron microscope)이다. 전자빔으로 웨이퍼를 훑고, 표면에서 튀어나온 2차 전자로 위에서 본 영상을 만들어 선폭이나 구멍 지름을 잰다. 2차 전자가 빠져나오는 깊이는 20 nm 미만이라 주로 표면을 보고, 표면과 내부의 대전이 나가는 전자의 에너지와 궤적을 바꾼다. 측정이 시료를 바꾸지 않는다는 전제가 오염·손상·대전으로 깨질 수 있다는 뜻이다. 영상에서 폭을 읽는 방법도 결과를 바꾼다. NIST 연구진의 모사에서, 영상의 세기 곡선에서 50% 문턱이나 반치폭 같은 임의 기준으로 가장자리를 정하는 관행 방법은 측벽각이나 모서리 둥글기가 바뀔 때 선폭 오차가 수 nm까지 났고, 물리 모델로 계산한 신호에 맞추는 방법은 모델끼리 1 nm 안에서 일치했다.

레지스트를 잴 때는 하나가 더 있다. 193 nm(ArF) 레지스트는 CD-SEM의 전자빔을 맞으면 부피를 잃고, 조건에 따라 극단적인 경우 선폭이 원래의 20%까지 줄어든다. TSMC의 특허는 이 수축이 ADI와 AEI CD로 하는 Feed-forward 보정을 틀어지게 한다고 지적한다. 장비사도 이 문제를 겨냥한다. Hitachi High-Tech는 2023년에 내놓은 CD-SEM GT2000이 얇은 레지스트의 손상을 줄이는 100 V 초저가속 전압, 3D 소자의 깊이와 바닥을 보는 후방산란전자 검출, 그리고 장비 사이 측정값 차이를 줄이는 플랫폼을 갖췄다고 소개한다. CD-SEM의 원리와 측정 방법은 PHOTO 책 10장 「계측: CD·Overlay·결함」에서 자세히 다룬다.

단면 SEM·TEM: 잘라서 옆에서

위에서 보는 영상은 깊이와 측벽의 모양을 직접 보여 주지 못한다. 그래서 웨이퍼를 잘라 단면을 SEM으로 보고(X-SEM), 계면처럼 더 작은 것은 아주 얇게 깎은 시편을 투과 전자현미경(TEM)으로 본다. Top·Middle·Bottom CD, 깊이, Bowing과 Taper, 바닥의 잔막이 한눈에 보인다. 문제는 값이다. 2024년 로드맵 논문은 전자현미경 기반 계측이 파괴적이고 비싸고 느려 식각과 증착 개발의 병목이 되곤 하며, 엔지니어들이 장비 시간을 아끼려 실험을 4~10개씩 묶어 돌린다고 적는다. 그리고 실시간 프로파일 계측이 있다면 실험 비용과 시간을 100배 넘게 줄일 수 있으리라고 추정한다.

OCD와 X선: 빛으로 푼다

자르지 않고 모양을 아는 방법이 OCD(Optical critical dimension, 산란 계측)다. 같은 모양이 반복된 패턴에 빛을 비춰 반사·회절된 빛의 스펙트럼을 재고, Maxwell 방정식을 풀어 만든 모사 스펙트럼과 비교해 CD, 높이, 측벽각 같은 모양 변수를 거꾸로 찾는다. 비선형 회귀로 그때그때 풀거나, 미리 계산해 둔 라이브러리에서 고른다. KLA는 OCD 장비 SpectraShape 12k가 Nanosheet·FinFET·DRAM·3D NAND의 CD와 3차원 형상(측벽각, 레지스트·하드마스크 높이, Pitch walking 등)을 재며 인라인 감시와 APC에 쓰인다고 소개한다. 고종횡비 구조는 X선으로도 잰다. 같은 회사의 Axion T2000은 3D NAND·DRAM의 깊은 홀에서 휨, Bowing, CD 프로파일, 식각 깊이, 기울기를 인라인에서 비파괴로 재며, 학습 주기에서 FIB-SEM·TEM·단면 SEM을 대신한다고 소개한다(제조사 주장).

ADI와 AEI

식각이 CD를 얼마나 바꿨는지 알려면 같은 자리를 식각 전후로 재서 비교한다. 포토의 현상 뒤에 재는 것이 ADI(After develop inspection, 현상 뒤 검사), 식각 뒤에 재는 것이 AEI(After etch inspection, 식각 뒤 검사)다. PR 제거와 세정까지 마친 뒤 재는 단계를 ACI(After clean inspection)라고 따로 부르기도 하는데, 이름과 시점은 회사와 공정마다 다르니 쓰는 정의를 먼저 확인한다. 두 값의 차(이 책에서는 AEI − ADI)를 식각 바이어스(Etch bias, CD bias)라 부른다. 이름과 부호 역시 곳마다 다르므로 같은 패턴, 같은 자리, 같은 CD 정의인지부터 맞춘다. ADI와 AEI는 재는 대상부터 다르다. 한 이중 패터닝 공정의 예에서 리소 뒤 레지스트 바닥 CD 40 nm가 식각 뒤 18 nm가 되었는데, ADI는 레지스트의 바닥을, AEI는 식각한 막을 잰 값이다. 이 두 값은 8절에서 볼 CD 바이어스 Feed-forward 보정에 널리 쓰인다.

챔버도 공정의 일부다: 시즈닝, 첫 웨이퍼, RF time

레시피의 숫자를 하나도 바꾸지 않았는데 정비 직후의 웨이퍼와 한 주 뒤의 웨이퍼가 다르게 깎인다. 범인은 챔버의 안쪽 표면이다. 플라즈마 속의 라디칼은 웨이퍼에만 가지 않고 벽에도 부딪힌다. 벽에서 서로 만나 안정한 분자로 돌아가기도 하고(재결합), 벽에 달라붙기도 한다. 벽이 무엇으로 덮여 있느냐에 따라 그 확률이 달라지고, 그만큼 웨이퍼로 가는 라디칼의 양이 달라진다. Agarwal과 Kushner는 반응기 표면이 덮여 반응종의 부착 계수가 바뀌고 그 결과 웨이퍼로 가는 플럭스의 구성이 바뀌는 현상을 시즈닝(Seasoning, 챔버 컨디셔닝)이라 부르고, 이것이 한 웨이퍼 안에서도, 웨이퍼와 웨이퍼 사이에서도 일어난다고 정리했다. 현장에서는 벽을 일부러 덮어 재현 가능한 상태로 만드는 작업도 시즈닝이라 부른다. 시즈닝 웨이퍼는 양산 중에 쌓일 막을 벽에 미리 입혀 두는 역할을 한다.

대표적인 실험이 있다. Kim과 Aydil은 Cl₂ ICP로 Si를 식각하는 동안 평균 식각 속도가 시간에 따라 오르는 것을 보았다. 식각 생성물이 남아 있는 O₂와 반응해 벽을 얇은 실리콘 산염화막으로 덮었고, Cl 원자는 깨끗한 양극 산화 알루미늄 벽보다 이 막 위에서 덜 재결합했다. 그래서 Cl 농도와 식각 속도가 올랐다. 균일도도 바뀌었다. 깨끗한 벽에서는 웨이퍼 가운데가 가장 빨리 깎였는데, 벽이 덮이자 가장자리가 가장 빨라졌다. Cl을 가장 많이 잃는 곳이 벽에서 웨이퍼로 옮겨 갔기 때문이다. 같은 연구 그룹은 Cl₂ 플라즈마를 오래 켜면 석영 창에서 스퍼터된 SiO₂가 벽을 덮어 Cl 농도가 오르고, SF₆/O₂ 플라즈마로 이 막을 걷어 내면 '깨끗한' 상태로 돌아간다는 것도 보였다. 벽의 상태에 따라 Cl 재결합을 정하는 단계 자체가 바뀌므로, 전력·압력·유량을 바꿨을 때 플라즈마가 반응하는 방식까지 달라진다. 벽에 쌓이는 산염화막은 Bias 전력과 O₂ 유량에 따라 쌓이는 빠르기가 다르다.

방향은 늘 오르는 쪽만은 아니다. Agarwal과 Kushner의 모델에서 생성물이 벽에 쌓이는 경우에는 식각 속도가 공정 중에도, 웨이퍼마다도 떨어졌고, 생성물만 붙고 식각을 막는 종이 더해지지 않는 기구에서는 올랐다. 코일에서 석영 창을 거쳐 들어오는 용량 결합이 창을 스퍼터해 O를 내놓으면 산염화물이 식각을 막는 층을 만들었고, 코일 위치를 옮기자 웨이퍼로 가는 O와 O⁺ 플럭스가 약 50% 줄었다. 벽의 온도도 변수다. 같은 리뷰가 인용한 불화탄소 플라즈마 연구에서는 벽이 더러울 때 벽 온도에 따라 CF₂·CF₃ 밀도가 최대 80%까지 올랐다. 무엇이 쌓이고 그것이 무엇을 바꾸는지는 화학마다 다르다는 뜻이다.

첫 웨이퍼 효과와 무웨이퍼 세정

정비나 세정 직후, 오래 쉬고 난 뒤, 레시피를 바꾼 직후의 처음 몇 장이 안정된 연속 생산과 다른 결과를 내는 것을 첫 웨이퍼 효과(First-wafer effect)라 한다. Lam Research의 특허는 세정한 챔버에서 처음에는 식각 속도가 낮다가 컨디셔닝 웨이퍼(Conditioning wafer, 시즈닝 웨이퍼)를 충분히 돌리면 안정되고, 그 뒤로는 세정과 세정 사이의 평균 시간(MTBC(Mean time between cleans)) 동안 천천히 드리프트한다고 적는다. 특허의 예에서는 베어 Si 웨이퍼 5장을 돌린 뒤 다음 패턴 웨이퍼의 산화막 식각 속도가 약 27%, PR 식각 속도가 약 25% 올랐다. 쉬고 난 첫 웨이퍼처럼 온도가 원인인 경우는 CVD 책 11장의 두께 드리프트에서 샤워헤드 온도의 예로 볼 수 있다.

정반대의 길도 있다. 웨이퍼를 넣지 않은 채 플라즈마로 벽을 청소하는 무웨이퍼 자동 세정(Waferless auto clean, WAC)을 웨이퍼마다 넣으면, 모든 웨이퍼가 같은 '깨끗한 벽'에서 출발한다. 같은 회사의 다른 특허에서 웨이퍼마다 WAC를 넣자 1~25번 웨이퍼의 반복성이 poly 주 식각 0.7%, poly 과식각 2.6%, 산화막 주 식각 3.1%, PR 주 식각 4.6% 안이었다. WAC를 언제 끝낼지도 OES로 정한다. SiF₂(390 nm), SiFx(309 nm), F(680·703 nm)의 세기가 깨끗한 챔버의 기준선으로 돌아오고 기울기가 0이 되는 때다. Lam은 도체 식각 장비 Kiyo의 특징으로 고급 무웨이퍼 자동 세정을 내세운다. 시즈닝으로 벽을 '덮인 상태'에 맞추든, WAC로 '깨끗한 상태'에 맞추든, 요점은 웨이퍼마다 같은 벽에서 출발하게 하는 것이다(원리에서 나온 해석). 아래 애니메이션으로 확인하자.

벽 코팅과 파티클

벽 자체도 소모된다. 식각 챔버의 벽과 부품은 대개 알루미늄 위에 양극 산화막을 입히고, 그 위에 플라즈마에 강한 코팅을 더한다. Applied Materials 연구진의 특허는 양극 산화 Al 위의 고순도 Y₂O₃ 코팅이 불소·산소 플라즈마에서 양극 산화막만 있을 때보다 침식을 약 5배 잘 견딘다고 적는다. 하지만 Y₂O₃도 영원하지 않다. 양산 식각기(Lam 2300 Metal ICP)의 CF₄/O₂ 플라즈마에 노출한 연구에서는 Y₂O₃와 YF₃ 표면에 각각 5.2 nm, 6.8 nm 두께의 산불화이트륨(YOₓFᵧ)층이 생겼고, Y₂O₃는 금이 가며 Y·O·F를 담은 파티클을 웨이퍼에 떨어뜨렸다. YF₃ 쪽이 더 튼튼했다. 벽에 쌓인 부산물도 파티클의 원천이다. Lam의 특허는 Ti를 담은 하드마스크의 부산물이 챔버 표면에 쌓이고, O₂ 기반 무웨이퍼 세정으로는 천천히만 지워지며, 떨어져 나와 웨이퍼 가장자리 근처에 파티클을 만든다고 적는다. 시즈닝으로 벽을 덮는 일과 세정으로 벽을 비우는 일이 늘 줄다리기를 하는 이유다. 파티클의 진단은 12장에서 다룬다.

RF time과 소모품

현장에서는 챔버의 나이를 달력이 아니라 플라즈마를 켠 시간으로 센다. 실제로 RF 전력이 들어가 플라즈마가 켜져 있던 시간을 누적한 값을 RF time(누적 플라즈마 가동 시간, Plasma-on time)이라 부르고, 벽과 부품이 플라즈마에 얼마나 노출되었는지를 나타내는 관리 축으로 쓴다. 이 이름을 그대로 쓰는 공개 문헌은 이 책의 조사에서 찾지 못했지만, 그 바탕이 되는 사실은 분명하다. 벽, 척, Focus ring 같은 부품은 플라즈마에 소모되어 바꿔야 하고, 양산 장비는 수천 장을 드리프트와 정지 시간을 최소로 하며 처리해야 한다. 계획에 따라 챔버를 열어 세정하고 부품을 점검·교체하는 일을 PM(Preventive maintenance, 예방 정비)이라 하고, PM 뒤에는 하드웨어 점검과 함께 시즈닝과 공정 자격 확인을 거쳐 생산으로 돌아간다.

가장 눈에 띄는 소모품이 웨이퍼 둘레의 Focus ring(Edge ring)이다. Tokyo Electron의 특허에 따르면 닳지 않은 링 위에서는 Sheath가 웨이퍼와 링 위로 평평하지만, 링이 닳으면 가장자리 Sheath의 모양이 바뀌어 이온이 비스듬히 들어오고 가장자리의 구멍이 기운다. 300 mm CCP에서 웨이퍼와 전극 사이에 단차를 두어 링의 침식을 흉내 낸 실험에서는 단차 0.6 mm 이하에서 기울기가 2.5° 이하였고 단차와 함께 커졌다. 저자들은 고종횡비 식각에서는 2°의 기울기도 불량이 될 수 있으므로 0.6 mm 단차가 생기기 전에 링을 바꿔야 한다고 결론지었다. 이것은 이 실험의 결론이지 업계의 기준이 아니다. 2024년 로드맵 논문도 링 높이가 소모로 낮아지면 가장자리 Sheath가 휘어 메모리 홀이 어긋난다고 적는다.

그래서 링은 수명을 정해 바꾼다. 그런데 링은 비싼 소모품이라 교체 주기가 짧아지면 소모품 비용(COC)이 오른다. 장비사들은 수명을 늘리는 방법을 찾는다. Tokyo Electron은 링의 소모량과 Self-bias로 정한 DC 전압을 링에 걸어 보정하고, 소모량은 레이저로 두께를 재거나 다른 값에서 추정한다. 같은 회사의 다른 특허는 링을 올리는 종래 방법 대신 웨이퍼 가장자리를 휘게 해 가장자리 구멍의 기울기를 허용 범위 안에 두고 교체 주기를 늘린다. Lam은 구동기로 링을 올려 침식을 보상하고, 챔버를 열지 않고 로봇으로 링을 바꾸는 구조를 특허로 냈고, Kiyo의 Corvus는 가장자리 다이 수율을 위한 Sheath 조절이라고 소개한다. 링 수명을 RF time으로 관리하는 것은 이 소모가 플라즈마에 노출된 시간을 따라가기 때문이다. 링과 ESC의 하드웨어는 7장에서 자세히 다룬다.

드리프트와 Matching: 장비가 남기는 기록

앞 절의 현상들은 시간에 따라 천천히 나타난다. 사용량이나 시간에 따라 식각 속도, CD, 프로파일 같은 결과가 한 방향으로 서서히 움직이는 것을 챔버 드리프트(Chamber drift)라 한다. 갑자기 울리는 알람과 달리 드리프트는 관리 한계 안에서 조용히 쌓인다. 관리도에서 한계를 벗어난 점만이 아니라, 한계 안에 있어도 점들이 중심선 한쪽으로 몰리는 것 같은 비무작위 패턴이 신호가 되는 이유다. 플라즈마 식각에서는 벽 코팅, 소모품 마모, Focus ring 높이, RF 전달, 온도, 기체 공급의 변화가 모두 드리프트를 만들 수 있다(6절의 근거에서 나온 정리).

한 챔버의 시간 변화가 드리프트라면, 여러 챔버 사이의 차이를 줄이는 일은 챔버 매칭(Chamber matching)이다. 같은 레시피를 쓰는 여러 챔버가 허용 범위 안의 같은 결과를 내도록 맞추고 유지하는 일이다. 양산 관점에서 본 플라즈마 식각의 큰 과제를 정리한 Lam Research 연구진의 리뷰는 웨이퍼 사이, 로트 사이, 챔버 사이의 반복 가능한 균일도를 그 첫머리에 든다. Matching은 레시피의 숫자를 똑같이 복사하는 일이 아니다. 부품의 모양과 사용량, RF 전달, 센서의 오프셋이 다르면 같은 설정값에서도 플라즈마가 다르다(원리에서 나온 해석). 그래서 보정으로 맞춘다. Applied Materials의 특허는 장비·챔버의 Matching을 런투런 제어로 하는 방법을 다루며, 한 PECVD 예에서 제어 없이 173 Å 차이 나던 두 스테이션이 약 15쌍 뒤 20 Å 안으로 모였다. 장비사는 Matching을 제품의 특징으로 내세운다. Applied Materials는 2015년의 Centris Sym3가 식각 챔버 6개와 세정 챔버 2개를 갖추고 모든 챔버를 서로 맞추는 소프트웨어를 쓴다고 소개했다(제조사 주장).

이상을 볼 때 범위부터 가르는 것도 같은 생각이다. 여러 챔버가 같은 때 같은 방향으로 변했다면 들어온 막, 포토, 계측, 공통 레시피 변경 쪽이다. 한 챔버만 변했고 장비 신호도 함께 변했다면 그 챔버의 하드웨어·센서·PM 상태 쪽이다. 한 제품에서만 변했다면 패턴 로딩이나 들어온 CD 쪽이다(원리에서 나온 해석). 이 판단의 근거가 되는 것이 장비가 웨이퍼마다 남기는 기록이다.

장비 신호를 웨이퍼마다, 레시피 단계마다 모아 이상을 잡고 분류하는 일을 FDC(Fault detection and classification, 이상 감지·분류)라 한다. Applied Materials의 특허는 정합 회로를 거친 RF 주파수와 부하, V_DC, V_pp, 순방향·반사 전력을 감시하고 레시피 단계별 과거 신호를 기준으로 경고·고장 한계를 두는데, 데이터 분석에서 V_DC와 RF 주파수가 아킹의 강한 지표였다. 신호 여러 개를 한꺼번에 보는 다변량 FDC는 흔히 주성분 분석과 T²·Q 통계를 쓴다. 다만 공정은 결함이 없어도 드리프트하므로, 고정된 모델은 거짓 경보를 피하려 한계를 넓혀야 하고 그러면 작은 결함을 놓친다. 정비 뒤에는 조건이 갑자기 바뀌어 모델을 다시 맞춰야 한다. 장비 데이터로 계측값을 예측하는 가상 계측(Virtual metrology, VM)도 있다. 한 연구는 장비 데이터만으로 여러 번의 챔버 정비를 거친 수천 장의 웨이퍼에서 플라즈마 식각 속도를 예측했다. 2024년 로드맵 논문은 OES 스펙트럼을 신경망으로 읽어 '챔버 지문'을 만든 것을 초기 AI 사례로 들고, 앞으로는 실시간 모사와 장비·FDC·OES 데이터를 묶는 공정 정보학이 필요하다고 본다. 아래 그림에서 식각 챔버의 센서와 소모품을 하나씩 눌러 보자.

근거: OES 창과 분광기, 레이저 간섭계와 카메라, OES로 잡는 WAC의 끝, OES 추세와 챔버 지문, 간섭계로 막 중간에서 멈추기, RF 신호와 아킹 지표, 정합기의 VI 센서와 RF 데이터의 다변량 활용, He 누설 유량과 디척 판단, Focus ring의 마모와 기울기, 링의 비용과 교체 주기, 벽 코팅, 벽 상태와 재결합, 부산물 박리, Pendulum 밸브의 압력 제어.

SPC와 APC: 다음 런을 고친다

계측값을 시간 순서로 감시해 우연한 흔들림과 이상의 원인을 구분하는 방법이 SPC(Statistical process control, 통계적 공정 관리)다. 기본 도구인 관리도는 관리 상태의 평균에 중심선을, 보통 3σ 위치에 위아래 관리 한계(Control limit)를 둔다. 한계 밖의 점은 공정이 관리 상태를 벗어났을 가능성을 뜻하고, 한계 안이라도 비무작위 패턴이 신호가 된다. 관리 한계는 공정이 평소와 같은지를 묻는 경계로, 제품이 만족해야 하는 규격 한계(Specification limit)와 다르다. 규격 안이어도 한 방향으로 이어지는 점은 드리프트의 초기 신호일 수 있고, 관리 한계를 한 번 벗어났다고 곧바로 불량인 것도 아니다. 측정 주기와 가상 계측이 드리프트 검출을 어떻게 바꾸는지는 CVD 책 11장의 SPC 시뮬레이터에서 직접 볼 수 있다.

SPC가 '이상을 알리는' 일이라면, 고치는 일은 APC(Advanced process control, 고급 공정 제어)가 맡는다. 그 중심은 런투런 제어(Run-to-run control, R2R)다. R2R은 장비 안의 제어기가 맞추는 설정값을 바꾸는 상위 제어다. 제품의 특성은 런 중에는 잴 수 없고 계측 장비로 옮긴 뒤에야 재므로, 런이 끝난 뒤에 다음 런을 보정한다. 그리고 SPC와 달리 공정이 늘 같다고 가정하지 않고, 느린 드리프트나 계단처럼 갑작스러운 변화가 있다고 보고 적극적으로 따라간다. 식각에서는 시즈닝처럼 서서히 움직이는 식각 속도를 따라가는 것이 전형적인 쓰임이다. Agarwal과 Kushner는 식각 속도를 센서로, Bias 전압을 구동기로 쓰는 비례 제어기로 시즈닝에 따른 변화를 실시간과 런투런으로 보정하는 모델을 보였다. 장비 상태(FDC 데이터)를 제어 법칙에 함께 넣는 R2R 제어기도 제안되었다.

보정에는 두 방향이 있다. 식각한 결과를 재서 다음 런에 반영하는 것이 Feedback 제어(Feedback control, 되먹임 제어), 들어오는 웨이퍼를 미리 재서 이번 런에 반영하는 것이 Feed-forward 제어(Feed-forward control, 앞먹임 제어)다. 식각의 대표적인 Feed-forward는 ADI CD를 받아 식각 조건을 고치는 것이다. ADI와 AEI CD는 CD 바이어스 Feed-forward APC에 널리 쓰인다. 장비사도 이 기능을 내세운다. Lam은 Kiyo의 Hydra가 들어오는 패터닝 편차를 보정하는 CD 균일도 보정이라고 소개한다(제조사 주장). 가장 단순한 제어기는 다음과 같다.

가중치가 너무 크면 측정 잡음에도 크게 반응해 조건이 들썩이고, 너무 작으면 드리프트를 따라가지 못한다(원리에서 나온 해석). 그리고 무엇보다, 제어기는 들어온 숫자를 믿는다. 잘못된 숫자가 들어오면 정상인 공정을 틀어지게 만든다. 그래서 APC에는 다음과 같은 안전장치가 붙는다. 보정량의 위아래 한계와 한 번에 바꿀 수 있는 최대량, 계측 데이터의 나이와 표본 수, 이상값을 빼는 규칙과 승인 절차, 제품·챔버·레시피별로 나눈 모델, PM 뒤의 재설정 규칙, 센서나 계측이 이상할 때 자동 보정을 멈추는 규칙이다. 이 규칙들이 왜 필요한지 보여 주는 사례는 이 장에 이미 나왔다. 레지스트가 측정 중 줄어들면 Feed-forward가 틀어지고, 가장자리 판정 기준이 바뀌면 CD가 수 nm 달라지며, 정비 뒤에는 모델을 다시 맞춰야 한다. 아래 CHALLENGE에서 직접 제어기의 판단을 내려 보자.

문제의 근거: ADI·AEI CD 바이어스 Feed-forward와 측정 수축의 영향, 가장자리 판정과 측정 오류, 드리프트를 따라가는 R2R의 Feedback, 정비 뒤 모델 재설정.

CHALLENGE의 여섯 로트는 각각 한 가지 규칙을 담고 있다. 처음 두 로트는 Feed-forward 자체다. 세 번째는 Feedback이 알려 주는 챔버의 치우침을 더하는 것, 네 번째는 이상값 하나가 평균을 끌고 가는 것, 다섯 번째는 승인된 보정 범위를 넘으면 보정이 아니라 보류가 답이라는 것, 여섯 번째는 PM이 제어기의 기억을 낡게 만든다는 것이다. APC는 공정 이해를 대신하는 자동화가 아니라, 검증된 모델을 정해진 규칙 안에서 되풀이해 적용하는 체계다(원리에서 나온 해석). 제어기가 권하는 숫자를 그대로 쓰지 않아야 할 때를 아는 것이 이 장의 마지막 교훈이다.