반도체 계측(Semiconductor Metrology)은 제조 공정 중 소자의 물리적·전기적 특성을 측정해 품질을 검사하고 제어하는 과정입니다. 400~600개가 넘는 공정 단계를 거치는 반도체 생산에서, 계측은 오차와 불량을 조기에 잡아 수율을 지키는 안전망 역할을 합니다.
웨이퍼 하나가 완성되기까지 적게는 400개, 많게는 600개 이상의 공정 단계를 거치고 길게는 2개월이 걸립니다. 마지막에 불량을 발견하면 2개월 치 공정이 통째로 손실되기 때문에, 주요 공정마다 박막(thin film) 두께, 식각(etch)·증착(deposition) 패턴 등을 측정해 품질을 확인합니다.
현재 일반적인 방식은 lot당 2~3장의 웨이퍼를 뽑아 별도 계측 라인에서 측정하고, 그 결과로 lot 전체의 품질을 판정하는 lot-to-lot(L2L) 제어입니다. 하지만 초소형 디바이스의 다품종 소량생산 체제에서는 샘플 몇 장이 전체를 대표하기 어렵고, 별도 계측 장비로의 이동이 처리량·사이클타임·비용에 부담을 줍니다. 그래서 웨이퍼 한 장 한 장을 관리하는 wafer-to-wafer(W2W) 계측에 대한 관심이 커지고 있습니다.
공정 제어는 외부 교란(D) 속에서 조작 변수(MV)를 조절해, 제어 변수(CV)를 목표인 설정점(SP)에 최대한 가깝게 유지하는 작업입니다.
운전에 비유하면 이렇습니다. 차의 진로가 제어 변수, 목적지까지의 경로가 설정점, 눈이 센서, 운전대와 페달이 조작 변수, 운전자의 뇌가 제어 장치입니다. 운전 경험(사전 학습)을 토대로 상황에 맞는 조작을 하는 것이 곧 제어입니다.
가장 기본적인 제어 방식입니다. 출력이 설정 범위를 벗어나면 오차를 감지하고, 정상 범주로 되돌리기 위한 조작 변수를 계산해 공정 조건을 조정합니다. 문제가 발생한 뒤 보정하는 사후 대응입니다.
시상수가 크거나 시간 지연이 있는 공정에서는 Feedback만으로 성능을 확보하기 어렵습니다. Feedforward는 중요한 외부 교란 변수를 미리 측정해, 공정에 영향을 미치기 전에 조건을 사전 조정합니다.
계측(Metrology)은 두께·선폭 같은 물리량을 측정하는 것이고, 검사(Inspection)는 결함의 유무·위치를 찾는 것입니다. 현장에서는 M&I로 묶어 함께 운영합니다.
물리적 계측을 전수로 하면 처리량과 비용 부담이 너무 큽니다. 그래서 센서 데이터로 계측값을 추정하는 가상 계측(Virtual Metrology) 등 데이터 기반 접근이 주목받고 있습니다.
W2W 수준의 관리로 갈수록 데이터는 폭증하고, 사람이 모든 파라미터를 볼 수는 없습니다. 알티엠(RTM)의 EHM은 양산 설비의 전체 파라미터를 실시간 분석해 미세 변화와 이상 징후를 탐지하고 원인을 추적합니다. 공정·설비 데이터 활용을 고민 중이라면 알티엠에 문의해 보세요.
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