광학 검사: 명시야와 암시야

인라인 검사의 자리

3장과 4장에서 결함은 밀도 \(D_0\)라는 숫자로만 등장했다. 그 숫자를 실제로 세는 장비가 인라인 검사(In-line inspection) 장비다. 공정 단계와 단계 사이에 웨이퍼를 꺼내 표면을 훑고, 이상한 곳마다 좌표와 크기, 밝기 같은 속성을 붙여 목록으로 내놓는다. 결과물은 영상이 아니라 결함 좌표 목록이다. 웨이퍼 한 장에 수십 개에서 수천 개의 점이 찍힌 결함 맵이 된다.

검사는 계측(Metrology)과 다르다. 계측은 미리 정한 몇 자리에서 선폭, 막 두께, 오버레이 같은 값을 잰다. 어디를 볼지 알고 가서 숫자를 얻는다. 검사는 어디에 있을지 모르는 것을 찾으려고 넓은 면적을 훑는다. 얻는 것은 숫자가 아니라 "여기가 이웃과 다르다"는 신고다. 계측은 공정이 목표에서 얼마나 벗어났는지를, 검사는 예정에 없던 사건이 있었는지를 알려 준다.

왜 다 보지 않는가

검사에는 시간이 든다. 고감도 조건에서는 웨이퍼 한 장에 수십 분에서 몇 시간이 걸리고(뒤의 처리량 절), 그동안 로트는 멈춰 선다. 그래서 로트 25장 가운데 2~3장만 뽑고, 모든 층이 아니라 중요한 층만 본다. 표본으로 전체를 짐작하는 일이므로 한계도 분명하다. 한 장에만 생긴 스크래치는 그 장을 뽑지 않으면 지나간다. 반대로 장비가 만드는 문제는 그 장비를 지난 모든 웨이퍼에 남으므로 몇 장만 봐도 잡힌다. 어느 층을 얼마나 자주 볼지는 14장에서 비용으로 따진다.

명시야: 반사된 빛을 본다

명시야(Bright field, BF) 검사는 보통의 반사 현미경과 같은 구조다. 대물렌즈를 통해 웨이퍼를 수직에 가깝게 비추고, 같은 렌즈로 되돌아오는 반사광을 모아 영상을 만든다. 평평한 면이 가장 밝게 보이므로 명시야라고 부른다. 패턴이 그대로 영상에 나타나고, 결함은 그 자리의 반사율이나 모양이 달라져 밝기가 바뀐 화소로 드러난다. 파티클은 빛을 흩어 버려 어둡게, 금속 잔류물이나 브리지는 없어야 할 자리에서 밝게 보인다.

분해능과 파장

렌즈가 가를 수 있는 가장 작은 간격은 파장과 개구수로 정해진다.

그래서 명시야 검사는 짧은 파장으로 간다. 가시광에서 자외선, 심자외선(DUV)으로 내려왔고, 여러 파장 대역을 골라 쓸 수 있는 광대역 광원을 쓴다. 대역을 고르는 이유는 박막 간섭 때문이다. 웨이퍼 위의 막은 두께에 따라 특정 파장을 강하게 반사하거나 흡수하므로, 층마다 결함이 가장 또렷하게 보이는 대역이 다르다.

여기서 중요한 사실이 하나 있다. 분해능 180 nm는 28 nm급 공정의 배선 피치(약 90 nm)보다 크다. 검사 장비는 패턴을 또렷이 보지 못한다. 그런데도 수십 nm의 결함을 잡는다. 검출과 분해는 다른 일이기 때문이다. 결함의 모양을 그려 내지는 못해도, 결함이 그 화소의 밝기를 잡음보다 크게 바꾸기만 하면 "여기가 다르다"는 것은 알 수 있다. 광학 검사가 주는 것은 결함의 사진이 아니라 좌표다. 무엇인지는 6장의 리뷰 SEM이 가서 본다.

암시야: 흩어진 빛만 본다

암시야(Dark field, DF) 검사는 조명을 비스듬히 넣는다. 매끈한 면에서 거울처럼 반사된 빛(정반사광)은 들어온 각도 그대로 반대쪽으로 나가 수집 렌즈에 들어오지 않는다. 렌즈에 들어오는 것은 무언가에 부딪혀 방향이 바뀐 산란광(Scattered light)뿐이다. 그래서 아무것도 없는 면은 캄캄하고, 파티클이나 스크래치처럼 튀어나오거나 파인 것만 밤하늘의 별처럼 빛난다. 어두운 배경 위의 밝은 점은 찾기 쉽다. 화소를 크게 잡아도 신호가 묻히지 않으므로 빠르다.

작은 입자의 산란: 지름의 여섯제곱

파장보다 훨씬 작은 입자가 흩는 빛의 세기는 레일리 산란(Rayleigh scattering)을 따른다.

여섯제곱은 가혹하다. 지름이 절반이 되면 신호는 64분의 1이 된다. 60 nm 입자를 겨우 잡던 장비가 30 nm 입자를 잡으려면 신호 대 잡음비를 64배 올려야 한다. 파장을 줄이는 것이 그 방법 가운데 하나다. 파장을 355 nm에서 266 nm로 줄이면 \((355/266)^4\) ≈ 3.2배가 된다. 나머지는 레이저 출력을 올리고, 배경 산란을 줄이고, 한 화소에 머무는 시간을 늘려서(곧 느리게 검사해서) 채운다. 굴절률 항 때문에 재질도 영향을 준다. 금속 입자는 같은 크기의 산화물 입자보다 훨씬 밝다.

패턴이 만드는 빛: 회절과 공간 필터

패턴이 있는 웨이퍼에서는 문제가 하나 더 있다. 패턴의 모서리도 빛을 흩는다. 다만 주기적인 패턴은 빛을 아무 방향으로나 흩지 않는다. 피치 \(p\)인 반복 구조는 회절 격자처럼 정해진 방향으로만 빛을 보낸다.

렌즈의 뒤 초점면(푸리에 면)에서는 같은 방향으로 나온 빛이 한 점에 모인다. 주기 패턴의 회절광은 이 면에서 몇 개의 밝은 점이 되고, 결함이 흩은 빛은 방향이 제각각이라 면 전체에 엷게 퍼진다. 밝은 점 자리만 가리는 띠를 놓으면 패턴의 빛은 막히고 결함의 빛은 대부분 지나간다. 이것이 공간 필터(Spatial filter, Fourier filter)다.

둘은 경쟁하는 것이 아니라 나눠 쓴다. 같은 층을 두 방식으로 검사하면 겹치는 결함은 일부뿐이고, 각자만 잡는 결함이 따로 있다. 처음 보는 공정에서는 느리더라도 명시야로 무엇이 있는지를 파악하고, 결함의 종류가 알려진 뒤에는 그 결함을 잡을 수 있는 가장 빠른 방식으로 자주 본다.

다이 대 다이 비교

검사 장비는 결함이 어떻게 생겼는지 모른다. 아는 것은 하나뿐이다. 같은 제품의 다이는 모두 같은 그림이어야 한다. 그래서 이웃한 다이의 같은 자리를 화소 단위로 빼서 차 영상(Difference image)을 만들고, 차이가 문턱값을 넘는 곳을 결함으로 신고한다. 이것이 다이 대 다이 비교(Die-to-die comparison)다.

두 다이만 비교하면 차이가 어느 쪽 다이의 것인지 알 수 없다. 그래서 세 다이를 쓴다. 가운데 다이를 왼쪽·오른쪽 이웃과 각각 비교해서 두 차 영상 모두에 나타난 것만 가운데 다이의 결함으로 인정한다. 한쪽에만 나타난 것은 그 이웃 다이의 결함이거나 잡음이다. 이를 중재(Arbitration)라 한다.

메모리 셀 배열처럼 같은 모양이 다이 안에서 반복되는 곳에서는 이웃 다이 대신 한 주기 옆의 셀과 비교한다. 셀 대 셀 비교(Cell-to-cell, array mode)다. 비교하는 두 자리가 수십 mm가 아니라 1 µm 안쪽으로 가까워서 막 두께나 초점의 차이가 거의 없다. 배경 잡음이 작아지므로 문턱을 더 낮출 수 있고, 그만큼 민감하다. 로직처럼 반복이 없는 영역은 다이 대 다이로 볼 수밖에 없다.

감도와 뉴슨스

문턱을 넘었지만 수율과 무관한 것을 뉴슨스(Nuisance)라고 부른다. 엄밀히는 둘로 나뉜다. 그 자리에 아무것도 없는데 잡음 때문에 걸린 거짓 검출(False alarm)과, 실제로 다이 사이에 차이가 있긴 하지만 불량을 만들지 않는 차이다. 현장에서는 둘을 합쳐 뉴슨스라고 부르는 일이 많고, 이 책도 그렇게 쓴다. 찾고 싶은 결함은 관심 결함(Defect of interest, DOI)이라 한다.

검사 조건의 좋고 나쁨은 두 숫자로 잰다.

문턱을 낮추면 두 숫자가 함께 오른다. 작은 결함의 신호 분포와 뉴슨스의 신호 분포가 겹쳐 있기 때문이다. 겹친 구간에서는 어떤 문턱도 둘을 가르지 못한다. 문턱을 쓸어 가며 포착률을 뉴슨스 수에 대해 그린 곡선은 신호 검출 이론의 ROC 곡선과 같은 것이다. 곡선 위의 한 점을 고르는 것이 검사 레시피(Recipe) 설정이고, 곡선 자체를 왼쪽 위로 밀어 올리는 것이 광학 조건(파장, 편광, 조명 각, 화소)의 최적화다.

뉴슨스가 왜 그렇게 문제인가. 검출된 좌표는 그대로 쓰이지 않고 리뷰 SEM이 하나씩 가서 확인해야 하는데(7장), 리뷰는 한 장에 수십~수백 개가 한계다. 검출이 5,000개이고 그 가운데 90%가 뉴슨스라면 리뷰 표본 100개 가운데 진짜는 10개뿐이다. 결함 맵의 무늬도 뉴슨스에 묻힌다. 반대로 뉴슨스를 없애려고 문턱을 올리면 작은 치명 결함이 통째로 빠진다. 결함 수가 줄었다고 좋아할 일이 아니다. 검사 결과의 "결함 수"는 웨이퍼의 성질이 아니라 웨이퍼와 레시피가 함께 만든 숫자다. 레시피가 바뀌면 추세선은 끊긴다.

처리량, 화소, 감도의 삼각관계

검사 장비는 웨이퍼를 화소로 나눠 읽는다. 화소가 작을수록 작은 결함의 신호가 한 화소 안에서 덜 희석되어 잘 보인다. 대신 읽어야 할 화소 수가 늘어난다.

300 mm 웨이퍼의 면적은 약 700 cm²다. 화소를 50 nm로 잡으면 화소 수는 약 3 × 10¹³개다. 초당 수십억 화소를 처리해도 몇 시간이 걸린다. 화소를 두 배로 키우면 시간은 4분의 1이 되지만 잡을 수 있는 가장 작은 결함도 커진다. 감도, 처리량, 뉴슨스 가운데 둘을 고르면 나머지 하나를 내줘야 한다. 그래서 같은 장비라도 개발 단계에서는 가장 작은 화소로 몇 장만, 양산에서는 큰 화소로 여러 장을 본다.

패턴이 없는 웨이퍼와 매크로 검사

패턴 웨이퍼 검사만 있는 것은 아니다. 목적에 따라 훨씬 빠른 방법들을 함께 쓴다.

무패턴 검사에서 결함 크기는 같은 세기의 빛을 흩는 폴리스타이렌 구의 지름으로 환산해 적는다(LSE, latex sphere equivalent). 실제 크기가 아니라 산란 세기의 다른 표현이라는 점에 주의한다. 매끈해 보이는 면도 표면 거칠기 때문에 엷은 배경 산란을 내는데, 이를 헤이즈(Haze)라 한다. 헤이즈가 클수록 작은 입자의 신호는 그 잡음에 묻힌다. 거친 금속막 위에서 감도가 떨어지는 이유다. 공정 장비에 맨 웨이퍼를 통과시켜 앞뒤로 늘어난 파티클 수를 세는 것이 가장 기본적인 장비 청정도 감시다.

광학이 못 보는 것

광학 검사가 주는 단서는 "이 좌표의 표면이 이웃 다이와 다르게 보인다"까지다. 여기서 빠지는 것들이 있다.

• 묻힌 결함. 금속처럼 불투명한 막 아래는 보이지 않는다. 투명한 막 아래는 보이지만 어느 층의 것인지 가리기 어렵다.
• 전기적 결함. 콘택 바닥이 덜 열렸거나 플러그 속이 빈 경우처럼 모양은 정상인데 전류가 흐르지 않는 것. 깊고 좁은 구멍의 바닥에서는 빛이 돌아오지 않는다.
• 너무 작은 것. 신호가 뉴슨스 분포 안에 들어가 버린 결함. 있다는 것조차 기록되지 않는다.
• 모든 다이에 공통인 것. 비교할 대상과 똑같이 틀리면 차는 0이다.
• 결함의 정체. 좌표와 대략의 크기, 밝기만 안다. 파티클인지 브리지인지, 치명적인지는 모른다.

반대로 광학 검사가 주는 것도 분명하다. 웨이퍼 전체를 덮는 좌표다. 다른 어떤 방법도 이만큼 넓은 면적의 결함 지도를 이 속도로 주지 못한다. 그리고 좌표가 있으면 무늬를 볼 수 있다. 결함 수가 평소와 같더라도 좌표의 분포가 달라졌다면 그것이 단서다. 한 줄로 늘어선 점은 스크래치고, 샷마다 같은 자리에 찍힌 점은 마스크를 가리킨다. 결함 수 관리도는 총량만 보기 때문에 이런 변화를 놓친다.

빛이 못 보는 전기적 결함은 6장의 전자빔 검사가 전압 대비로 찾는다. 좌표마다의 정체는 7장의 리뷰와 분류가 밝힌다. 광학 검사는 그 둘이 어디로 가야 할지를 정해 주는 첫 단계다.