잘 만들어졌는지 확인하는 검사와 수율

잘 만들었다는 것은 어떻게 알 수 있을까

쿠키를 한 판 가득 구웠다고 생각해 보자. 겉으로는 모두 비슷해 보여도 어떤 것은 덜 익었고, 어떤 것은 가장자리가 탔고, 어떤 것은 모양이 깨졌을 수 있다. 가게에 내놓으려면 하나씩 살펴보고, 먹을 수 있는 것과 버려야 할 것을 나누어야 한다.

반도체도 비슷하다. 웨이퍼 위에는 같은 모양의 칩이 수십 개에서 수백 개, 때로는 그보다 훨씬 더 많이 만들어진다. 하지만 같은 웨이퍼 위에 있다고 해서 모두 정상적으로 동작하는 것은 아니다. 작은 먼지 하나, 조금 어긋난 패턴, 얇거나 두꺼운 막, 끊어진 배선 하나가 칩 전체를 망가뜨릴 수 있다.

그래서 반도체 제조의 성공은 "만들었다"에서 끝나지 않는다. 중요한 질문은 이것이다.

얼마나 많이, 제대로 만들었는가?

이 질문에 답하기 위해 필요한 개념이 검사와 수율이다. 검사는 칩이 설계한 대로 만들어졌는지 확인하는 과정이고, 수율은 만든 칩 중 실제로 쓸 수 있는 칩의 비율이다. 쉽게 말해 검사는 "어느 칩이 괜찮은가"를 찾는 일이고, 수율은 "괜찮은 칩이 얼마나 많이 나왔는가"를 숫자로 보여 주는 지표다.

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완성 후에만 검사하면 늦다

반도체 검사는 크게 두 흐름으로 나누어 생각할 수 있다. 하나는 제조 중간중간에 막의 두께, 패턴의 폭, 정렬 상태, 결함을 확인하는 검사이고, 다른 하나는 완성된 웨이퍼나 칩이 실제로 전기적으로 동작하는지 확인하는 검사다.

먼저 제조 중 검사를 보자. 앞에서 살펴본 것처럼 반도체 공정은 웨이퍼 위에 막을 쌓고, 빛으로 무늬를 만들고, 깎고, 다시 쌓고, 평평하게 다듬는 과정을 반복한다. 이 과정이 여러 번 이어진 뒤에야 하나의 칩 구조가 완성된다.

그런데 마지막까지 다 만든 뒤에야 문제가 있었다는 사실을 알게 되면 너무 늦다. 예를 들어 20번째 공정에서 포토리소그래피 정렬이 어긋났는데, 80번째 공정까지 진행한 뒤에야 발견한다면 그동안 들어간 시간, 재료, 장비 사용 비용이 모두 낭비된다. 불량이 생긴 원인을 되짚어 찾기도 훨씬 어려워진다.

그래서 실제 공장에서는 중요한 공정 뒤마다 웨이퍼 상태를 확인한다. 이를 공정 중 계측 또는 인라인 검사라고 한다. 인라인 검사는 생산 흐름 안에서 바로 상태를 확인한다는 뜻이다. 병원에서 건강검진을 한 번만 받는 것이 아니라, 중요한 순간마다 혈압과 체온을 확인하는 것과 비슷하다.

물론 모든 웨이퍼의 모든 위치를 매번 전부 자세히 보는 것은 아니다. 공정의 중요도와 제품의 특성에 따라 어디를, 얼마나 자주, 어떤 장비로 확인할지 정한다. 핵심은 문제가 커지기 전에 공정 흐름 안에서 이상 신호를 잡아내는 데 있다.

두께, 선폭, 정렬을 재는 일

공정 중 계측에서 가장 먼저 확인하는 것 중 하나는 막의 두께다. 절연막이나 금속막이 너무 얇으면 제 역할을 하지 못하고, 너무 두꺼우면 다음 공정에서 문제가 생긴다. 얇은 비닐랩을 고르게 씌워야 하는데 어느 곳은 두껍고 어느 곳은 비어 있다면 포장이 제대로 되지 않는 것과 같다.

막 두께는 빛의 반사를 이용해 재는 경우가 많다. 빛을 웨이퍼에 비추면 막의 두께와 재료에 따라 반사되는 방식이 달라진다. 장비는 이 변화를 분석해 막이 목표 두께에 맞는지 계산한다. 눈으로는 보이지 않는 나노미터 수준의 차이를 숫자로 확인하는 것이다.

다음으로 중요한 것은 선폭이다. 선폭은 회로 패턴의 폭, 즉 배선이나 게이트 같은 구조가 얼마나 좁고 정확하게 만들어졌는지를 뜻한다. 설계보다 선이 넓으면 옆 구조와 가까워져 누설이나 합선 위험이 커진다. 반대로 너무 좁으면 전류가 잘 흐르지 않거나 끊어질 수 있다.

선폭을 확인할 때는 전자현미경 계열 장비가 쓰인다. 빛보다 훨씬 작은 구조를 보기 위해 전자빔을 이용하는 방식이다. 여기서 자주 등장하는 용어가 CD다. CD는 Critical Dimension의 약자로, 칩 성능에 중요한 핵심 치수를 뜻한다. 반도체에서 "CD를 관리한다"는 말은 중요한 패턴의 폭을 목표값에 맞게 유지한다는 뜻이다.

또 하나 중요한 항목은 정렬, 또는 오버레이다. 반도체 칩은 여러 층이 겹쳐진 구조다. 아래층의 트랜지스터 위에 위층의 배선이 정확히 이어져야 한다. 만약 위층의 구멍이나 배선 위치가 아래층 금속 위치에서 벗어나면 전기가 지나갈 길이 끊기거나, 원하지 않는 곳이 서로 연결될 수 있다. 여러 장의 투명 필름을 겹쳐 하나의 그림을 만드는 상황을 떠올리면 쉽다. 한 장만 조금 밀려도 전체 그림이 흐트러진다.

결함은 작은 점처럼 시작된다

계측이 두께와 치수를 재는 일이라면, 결함 검사는 원하지 않는 이상한 점이나 흠을 찾는 일에 가깝다. 웨이퍼 위의 입자, 긁힘, 빈 구멍, 남아 있는 찌꺼기, 끊어진 선, 서로 붙어 버린 선 등이 모두 결함이 될 수 있다.

모든 결함이 곧바로 불량 칩을 만드는 것은 아니다. 회로가 없는 빈 공간에 작은 입자가 떨어졌다면 큰 문제가 아닐 수 있다. 하지만 트랜지스터의 게이트 위나 매우 좁은 배선 사이에 입자가 들어가면 전류가 새거나 길이 막힐 수 있다. 같은 먼지라도 어디에 있느냐에 따라 결과가 달라진다.

결함 검사 장비는 웨이퍼 표면을 빠르게 훑으며 정상 패턴과 다른 부분을 찾는다. 빛을 이용해 산란이나 반사 차이를 보는 장비도 있고, 더 자세한 확인이 필요할 때는 전자현미경으로 특정 지점을 확대해 보기도 한다. 검사 결과는 웨이퍼 지도 위에 점으로 표시된다. 이 지도를 보면 결함이 무작위로 흩어져 있는지, 웨이퍼 가장자리에 몰려 있는지, 특정 방향으로 줄지어 있는지 알 수 있다.

이 모양은 매우 중요한 단서다. 가장자리만 나쁘다면 회전 코팅이나 식각 균일도 문제가 의심될 수 있다. 한 줄로 긁힌 흔적이 있다면 운반 과정이나 장비 내부 접촉을 확인해야 한다. 특정 구역에 반복적으로 결함이 생긴다면 마스크, 장비 챔버, 세정 상태를 살펴볼 필요가 있다.

즉 결함 검사는 단순히 "점이 몇 개 있다"를 세는 일이 아니다. 결함의 위치와 모양을 보고, 어느 공정에서 문제가 시작되었는지 추적하는 일이다.

전기적으로 실제 동작을 확인한다

모양이 좋아 보여도 전기적으로 제대로 동작하지 않으면 좋은 칩이 아니다. 그래서 웨이퍼 공정이 끝나면 웨이퍼 전기 검사를 한다. 흔히 웨이퍼 테스트 또는 웨이퍼 소트라고도 부른다.

웨이퍼 위의 각 칩에는 나중에 외부와 연결될 작은 금속 접점이 있다. 검사 장비는 아주 가는 바늘들이 달린 프로브 카드를 이용해 이 접점에 닿는다. 프로브 카드는 여러 개의 손가락이 동시에 칩을 눌러 보는 도구라고 생각하면 된다. 장비는 칩에 전압을 걸고 전류를 측정하며, 정해진 신호를 넣고 예상한 답이 나오는지 확인한다.

간단한 검사는 전류가 너무 많이 새지 않는지, 전원과 접지가 쇼트되지 않았는지, 기본 회로가 켜지고 꺼지는지 확인한다. 더 복잡한 검사는 메모리에 데이터를 써 넣고 다시 읽어 보거나, 로직 칩에 여러 입력 패턴을 넣어 계산 결과가 맞는지 살핀다.

검사가 끝나면 각 칩은 양품과 불량으로 나뉜다. 이 결과는 웨이퍼 맵으로 기록된다. 웨이퍼 맵은 둥근 웨이퍼 위의 칩마다 합격, 불합격, 성능 등급을 표시한 지도다. 이후 웨이퍼를 잘라 칩으로 만들 때 불량 칩은 제품으로 보내지지 않는다.

일부 제품은 등급도 나눈다. 예를 들어 같은 설계의 칩이라도 어떤 칩은 더 높은 속도에서 안정적으로 동작하고, 어떤 칩은 낮은 전압에서 더 적은 전력을 쓸 수 있다. 제조 결과가 완전히 똑같지 않기 때문에 검사 결과에 따라 제품 등급을 나누는 것이다. 이를 비닝이라고 부른다. 소비자가 보기에는 같은 종류의 제품처럼 보여도, 내부적으로는 이런 검사 결과에 따라 다른 등급으로 나뉘는 경우가 있다.

수율은 왜 돈과 직결될까

수율은 쉽게 말해 "만든 것 중 쓸 수 있는 것이 얼마나 되는가"이다. 웨이퍼 한 장에서 100개의 칩을 만들었는데 90개가 정상이라면 수율은 90%다. 100개 중 50개만 정상이라면 같은 웨이퍼, 같은 장비, 같은 시간으로 절반밖에 팔 수 없는 셈이다.

반도체 제조 비용의 상당 부분은 웨이퍼 단위로 들어간다. 웨이퍼를 준비하고, 클린룸을 유지하고, 장비를 돌리고, 수십에서 수백 단계의 공정을 거치는 비용은 웨이퍼 위의 칩이 나중에 몇 개나 살아남는지와 상관없이 먼저 발생한다.

따라서 좋은 칩 하나의 실제 비용은 수율에 크게 좌우된다. 같은 웨이퍼에서 양품이 많이 나오면 칩 하나가 부담해야 할 비용이 줄어든다. 반대로 불량이 많으면 살아남은 칩이 전체 제조 비용을 나누어 부담해야 하므로 제품 가격이 올라간다.

이 점은 큰 칩일수록 더 민감하다. 웨이퍼 위에 큰 칩을 만들면 한 장에서 얻을 수 있는 칩 수가 적다. 게다가 칩 면적이 넓을수록 먼지나 결함 하나가 그 칩 안에 들어갈 확률도 커진다. 작은 노트 한 장에 잉크 점 하나가 떨어질 확률보다, 큰 포스터에 잉크 점 하나가 떨어질 확률이 더 큰 것과 같다. 그래서 고성능 대형 칩은 설계와 공정이 모두 정교해야 하고, 수율 관리가 특히 중요하다.

불량을 찾는 목적은 버리기 위해서만이 아니다

검사의 목적은 단순히 불량품을 골라내는 데 그치지 않는다. 더 중요한 목적은 왜 불량이 생겼는지 알아내고, 다음 웨이퍼에서 같은 문제가 반복되지 않게 하는 것이다.

이를 위해 엔지니어들은 검사 데이터를 모아 원인을 추적한다. 전기 검사에서 특정 회로만 자주 실패한다면 설계와 공정 조건을 함께 살펴본다. 포토리소그래피 뒤에 선폭이 계속 좁게 나온다면 노광량, 초점, 포토레지스트 상태를 조정할 수 있다. 식각 뒤에 구조가 과하게 깎였다면 플라즈마 조건, 시간, 가스 조합을 바꿀 수 있다. CMP 뒤에 표면이 고르지 않다면 연마 압력, 패드 상태, 슬러리 조성을 확인한다.

이처럼 검사 결과가 다시 공정 조건을 바꾸는 과정이 피드백이다. 피드백은 제조 현장의 학습 방식이다. 한 번 만든 결과를 보고, 원인을 찾고, 조건을 조금씩 수정해 더 안정적인 제조 방법으로 다가간다.

반도체 공장에서는 이 피드백이 매우 빠르고 촘촘하게 이루어진다. 장비는 공정 데이터를 기록하고, 계측 장비는 두께와 선폭과 결함을 측정하며, 전기 검사 장비는 칩의 동작 결과를 남긴다. 이 데이터들이 연결되면 어느 공정 조건이 수율을 떨어뜨렸는지, 어떤 장비에서 문제가 시작되었는지, 어떤 설계 부분이 취약한지 추적할 수 있다.

결국 검사 데이터는 불량을 골라내는 도구이면서 동시에 공정을 더 좋게 만드는 힌트다. 반도체 공장이 같은 제품을 계속 만들수록 더 안정적인 결과에 가까워지는 이유도 여기에 있다.

수율은 제조 실력의 종합 성적표다

수율은 단순한 숫자가 아니다. 웨이퍼 품질, 클린룸 청정도, 포토리소그래피 정밀도, 식각과 증착의 균일도, 배선 신뢰성, 검사와 분석 능력이 모두 합쳐진 결과다.

반도체는 너무 작아서 눈으로 직접 확인할 수 없는 부분이 많다. 그래서 제조는 늘 측정과 함께 움직인다. 만들고, 재고, 비교하고, 고치고, 다시 만든다. 이 반복이 없으면 아무리 좋은 설계도 안정적인 제품이 되기 어렵다.

결국 반도체 공정의 마지막 질문은 하나로 모인다.

이 칩은 실제 세상에서 믿고 쓸 수 있는가?

검사와 수율 관리는 이 질문에 답하는 과정이다. 다음에는 이렇게 선별된 칩이 웨이퍼에서 잘려 나와, 외부 전기 회로와 연결되고 보호되는 패키징 과정을 살펴본다.