Chapter 09

공간 패턴 도감

빈 맵을 손에 넣었다. 이제 맵의 불량이 어떤 모양으로 놓여 있는지를 읽을 차례다. 현장에 남은 발자국의 모양이 신발을 가리키듯, 웨이퍼 위 불량의 모양은 그것을 만든 장비의 움직임을 가리킨다. 이 장은 무늬의 도감이다. 무늬마다 어떻게 생겼고, 어떤 공정을 먼저 의심하며, 다음에 무엇을 확인해야 하는지를 정리한다. 무늬가 가리키는 것은 범인이 아니라 용의자의 범위라는 점도 함께 익힌다.

장비의 대칭성(회전, 한 방향 흐름, 스텝 반복, 접촉)이 어떤 무늬를 남기는지 설명한다.
반지름 무늬, 방향 무늬, 국소 무늬, 샷 무늬를 구분하고 각각의 대표 원인 공정을 든다.
웨이퍼마다 같은 자리에 나오는 무늬와 자리가 바뀌는 무늬를 가르고 그 의미를 말한다.
겹친 무늬를 빈별·층별로 갈라 원인의 개수를 센다.
대칭 → 위치 → 크기 → 빈 → 재현성의 순서로 맵을 읽는다.

왜 무늬가 생기는가

공정 장비는 다이를 하나씩 다루지 않는다. 웨이퍼 한 장을 통째로 척에 올리고, 가스를 흘리고, 돌리고, 문지르고, 한 샷씩 찍는다. 그래서 장비에 문제가 생기면 불량은 다이 단위가 아니라 장비가 웨이퍼를 다루는 방식대로 퍼진다. 3장에서 갈랐던 계통 결함(Systematic defect)이 맵에서 무늬로 보이는 까닭이다. 반대로 서로 무관하게 떨어지는 파티클은 어느 다이나 같은 확률로 맞히므로 무늬를 만들지 않는다(4장).

무늬를 읽는 열쇠는 대칭성(Symmetry)이다. 장비의 동작이 가진 대칭은 그대로 불량의 분포에 남는다. 대칭은 네 가지로 충분하다.

동작의 대칭이 무늬의 대칭이 된다. 웨이퍼를 돌리는 장비의 문제는 각도와 무관하고 반지름에만 의존한다. 한쪽에서 들어오는 흐름은 방향을 남긴다. 한 샷씩 찍는 노광기는 샷 간격의 주기를 남긴다. 무언가가 웨이퍼에 닿으면 닿은 자리와 지나간 길이 남는다.

첫째는 회전이다. 스핀 도포, 현상, 매엽식 세정, CMP는 웨이퍼를 돌리고, 플라즈마 식각·증착 챔버는 웨이퍼를 돌리지 않더라도 샤워헤드와 척이 원형이라 구조 자체가 회전 대칭이다. 이런 장비에서 공정량(식각률, 막 두께, 연마량)은 각도 $\theta$와 무관하고 반지름 $r$만의 함수가 된다. 웨이퍼를 돌리는 장비라면 한 점에서 생긴 불균일도 회전이 평균해 버린다.

$$\bar g(r) = \frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi} g(r,\theta)\,d\theta$$

$g(r,\theta)$: 장비가 멈춘 웨이퍼에 남겼을 공정량의 분포, $\bar g(r)$: 웨이퍼가 여러 바퀴 도는 동안 실제로 쌓인 분포. 각도 방향의 차이는 사라지고 반지름 방향의 차이는 그대로 남는다.

회전은 불균일을 없애지 못한다. 방향 무늬를 반지름 무늬로 바꿀 뿐이다. 노즐이 중심에서 80 mm 떨어진 곳에 고정되어 있으면 멈춘 웨이퍼에는 얼룩 하나가 남지만, 도는 웨이퍼에는 반지름 80 mm의 고리가 남는다. 둘째는 한 방향 흐름이다. 가스가 한쪽 포트로 들어오거나 펌프가 한쪽으로 치우쳐 있거나, 배치식 습식 조에서 웨이퍼의 아래쪽이 먼저 잠기고 나중에 나오면 불량률은 한 방향으로 기운다. 셋째는 스텝 반복이다. 노광기는 같은 레티클을 수십 번 찍으므로 레티클과 필드 안의 문제는 샷 간격으로 반복된다. 넷째는 접촉이다. 로봇 암, 리프트 핀, 연마 패드처럼 웨이퍼에 닿는 것은 닿은 자리(점)와 지나간 길(선·호)을 남긴다.

SIMULATOR

동작에서 무늬로

노즐 위치 무작위 불량률 공정 중에 웨이퍼를 돌린다

동작 → 무늬—

자동 분류 판정—

수율—

해볼 것: ① 고정 노즐에서 회전을 끄면 얼룩 하나, 켜면 고리가 된다. 노즐 위치를 0 mm로 가져가면 고리가 오므라들어 중심 무늬가 되고, 140 mm로 밀면 가장자리 고리가 된다. 가장자리·도넛·중심은 같은 종류의 무늬이고 반지름만 다르다. ② 스캔 암은 웨이퍼 밖의 축을 중심으로 휘돈다. 회전을 끄면 한 번 긁힌 호가 남는다. 회전을 켜면 호가 닿은 가장 안쪽 반지름부터 바깥이 모두 영향을 받는다. 암 길이 190 mm에서는 암이 중심을 지나 중심 무늬가 된다. ③ 한 방향 흐름은 회전을 끄면 기울기, 켜면 바깥으로 갈수록 나빠지는 반지름 무늬가 된다. 방향 정보가 사라진다. ④ 스텝 노광은 웨이퍼의 회전과 무관하다. 무늬의 기준이 웨이퍼 중심이 아니라 샷이기 때문이다. (공정량이 쌓인 비율에 비례해 다이가 불량이 된다고 본 단순 모델이다. 실제 장비는 암의 속도와 회전수를 맞춰 반지름 방향 불균일을 보정한다.)

시뮬레이터가 보여 주듯 같은 고장도 장비가 웨이퍼를 돌리느냐에 따라 전혀 다른 무늬가 된다. 그래서 무늬에서 거꾸로 장비를 추리할 때는 "이 무늬의 대칭을 가진 동작이 무엇인가"를 먼저 묻는다. 구체적인 장비 구조와 무늬의 대응은 12장에서 다룬다. 이 장에서는 무늬의 종류를 익힌다.

무늬의 세 가지 기준 좌표이 책의 무늬는 기준 좌표에 따라 셋으로 나뉜다. 웨이퍼 기준 무늬는 웨이퍼 중심과 노치에 대해 정해진 자리에 나타나고, 같은 장비를 지난 웨이퍼마다 같은 자리에 되풀이된다(고리, 중심, 도넛, 한쪽 치우침, 소용돌이, 세 점). 샷 기준 무늬는 노광 샷 안의 자리로 정해진다(반복 결함, 필드 한쪽, 체커보드). 자리가 바뀌는 무늬는 한 장 한 장에서는 또렷하지만 웨이퍼마다 다른 곳에 나온다(군집, 스크래치). 2장에서 본 좌표계 가운데 어느 것으로 봐야 무늬가 정돈되는지가 곧 분류다.

반지름 무늬: 가장자리 고리, 중심, 도넛

가장 흔한 무늬다. 공정량이 반지름에 따라 달라지는 것은 거의 모든 매엽식 장비의 기본 성질이고, 레시피는 그 차이를 규격 안으로 눌러 놓은 상태다. 부품이 닳거나 조건이 틀어지면 프로파일의 한 부분이 규격을 벗어난다. 벗어나는 곳이 바깥이면 가장자리 고리, 안쪽이면 중심, 중간이면 도넛이다.

세 무늬는 한 가족이다. 파란 곡선은 반지름에 따른 공정량(식각률, 막 두께, 연마량 등), 점선은 규격이다. 곡선이 규격을 벗어난 반지름 구간(빨강)의 다이가 불량이 된다. 웨이퍼를 위에서 보면 그 구간이 고리, 원판, 띠로 보인다.

가장자리 고리

가장자리 고리(Edge ring)는 바깥 10~20 mm 띠에 불량이 몰린 무늬다. 가장자리가 약한 이유는 여럿이 겹친다(2장). 플라즈마는 웨이퍼 끝에서 전기장과 가스 조성이 달라지고, 이를 보정하는 포커스 링은 쓰는 동안 닳는다. 막은 베벨에서 두께가 흐트러지고 들뜨기 쉽다. 감광막의 가장자리 제거(EBR) 폭이 틀어지면 가장자리 다이의 패턴이 상한다. CMP는 가장자리에서 압력이 급하게 변한다. 온도도 가장자리에서 먼저 식는다.

좁은 띠처럼 보여도 넓다. 반지름 $R$인 웨이퍼에서 바깥 폭 $w$인 띠가 차지하는 면적 비율은 다음과 같다.

$$\frac{A_\text{띠}}{A_\text{웨이퍼}} = 1 - \left(1 - \frac{w}{R}\right)^2$$

$R$ = 150 mm일 때 $w$ = 10 mm면 약 13%, 20 mm면 약 25%. 다이의 4분의 1이 바깥 20 mm 안에 있다.

가장자리 고리가 전체 둘레에 고르게 있는지, 일부 구간에만 있는지도 본다. WM-811K 분류는 이 둘을 Edge-Ring과 Edge-Loc으로 나눈다. 둘레 전체라면 회전 대칭인 원인(챔버, 스핀)이고, 한쪽 구간만이라면 방향이 있는 원인(웨이퍼 치우침, 클램프·핑거 접촉, 한쪽 흐름)이 겹친 것이다.

중심

중심(Center) 무늬는 중심부의 둥근 영역에 불량이 몰린다. 샤워헤드 중앙의 가스 유량, 플라즈마 밀도의 중심 편차, CMP의 중심 과연마나 미연마가 대표적이다. 스핀 공정에서는 노즐이 중심에 약액을 떨어뜨리므로 토출이 시작되는 순간의 충격, 기포, 노즐 끝에 맺혔다 떨어진 방울이 중심에 흔적을 남긴다. 중심 무늬는 면적이 작아 다이 수로는 손실이 작아 보이지만 불량률의 대비가 커서 눈에 잘 띈다.

도넛

도넛(Donut)은 중간 반지름의 띠다. 중심도 가장자리도 멀쩡한데 그 사이가 나쁘다는 것은 장비 안에 반지름 방향으로 나뉜 구역이 있다는 뜻이다. 정전척의 히터 구역 경계, CMP 헤드의 압력 구역, 스퍼터 타깃의 고리 모양 침식 자국, 매엽 세정에서 노즐이 머무는 반지름이 그런 구역이다. 도넛의 반지름은 그대로 수사의 단서다. 장비 도면에서 같은 반지름에 무엇이 있는지를 찾으면 된다.

장비가 아니라 결정에서 온 고리반지름 무늬가 모두 공정 장비의 것은 아니다. 실리콘 잉곳을 끌어올릴 때의 조건에 따라 결정 안의 점결함 분포가 반지름 방향으로 달라지고, 그 경계가 웨이퍼에 고리 모양으로 남을 수 있다(산화 유도 적층 결함 고리, COP가 많은 중심 영역 등). 이런 무늬는 어느 장비를 지났는지와 무관하고 웨이퍼 공급 로트를 따라간다. 공정 이력으로 설명되지 않는 동심원은 재료 쪽을 본다.

SIMULATOR

무늬 도감

무늬 세기 무작위 불량률 매개변수

샷 경계 표시

수율—

무늬가 만든 불량—

무작위 불량—

자동 분류 판정—

해볼 것: ① 무늬를 하나씩 눌러 큰 맵과 아래 석 장을 비교한다. 가장자리·중심·도넛·한쪽·소용돌이·세 점은 넉 장 모두 같은 자리에 나온다. 군집·스크래치·호는 장마다 자리가 다르다. 반복·필드·체커는 "샷 경계 표시"를 켜야 규칙이 보인다. ② 도넛의 반지름을 40 mm에서 130 mm까지 움직인다. 작으면 중심, 크면 가장자리 고리와 구별되지 않는다. 이름은 셋이지만 연속된 하나의 무늬다. ③ 세기를 15%로 낮추고 무작위 불량률을 15%로 올린다. 한 장으로는 무늬가 보이지 않고 자동 분류도 "무늬 없음"이라 답한다. "스택 25장"으로 바꾸면 웨이퍼 기준·샷 기준 무늬는 되살아나고 스크래치와 군집은 사라진다(10장). ④ "빈별"로 보면 무늬가 만든 불량은 한 가지 빈으로, 무작위 불량은 여러 빈으로 흩어진다. (다이 6.5 × 8 mm, 샷 4 × 4. 세기는 무늬가 가장 센 곳의 불량 확률이다. 무늬별 빈은 예시이며 실제로는 불량 메커니즘이 정한다.)

이 도감은 장 전체에서 쓴다. 아래 절들을 읽으면서 해당 무늬를 눌러 모양을 확인하자.

방향 무늬: 한쪽 치우침과 소용돌이

회전 대칭이 깨진 무늬다. 각도에 따라 불량률이 달라지므로, 장비 안에 방향을 가진 무언가가 있다는 뜻이다.

한쪽 치우침

한쪽 치우침(Gradient)은 한 방향으로 갈수록 불량이 늘어나는 무늬다. 가스 유입구나 배기 포트가 한쪽에 있는 챔버, 웨이퍼가 척 위에서 한쪽으로 밀려 놓인 경우, 히터의 한쪽이 약해진 경우, 배치식 습식 조에 세로로 담갔다 꺼내는 공정(아래쪽이 약액에 더 오래 잠긴다)에서 나온다. 이온 주입의 기울임 각이나 노광 스테이지의 기울기처럼 웨이퍼 전체에 걸친 선형 오차도 같은 모양을 만든다.

이 무늬에서 가장 값진 정보는 방향이다. 맵은 노치를 아래로 두고 그리지만 장비는 저마다 다른 노치 방향으로 웨이퍼를 받는다. 무늬가 가리키는 방향을 각 장비의 좌표로 돌려 놓았을 때 유입구, 슬릿 밸브, 배기 포트와 맞는 장비가 용의자다. 같은 무늬가 웨이퍼마다 일정한 각도만큼 돌아가 있다면, 노치 정렬 없이 웨이퍼를 받는 장비라는 단서가 된다(12장).

회전하는 장비는 기울기를 남기지 못한다앞 절의 시뮬레이터에서 보았듯 공정 중에 웨이퍼가 돌면 한 방향 흐름은 반지름 무늬로 바뀐다. 그러므로 또렷한 한쪽 치우침을 보면 스핀 장비와 CMP는 용의선상에서 뒤로 물러나고, 웨이퍼를 고정한 채 처리하는 챔버·열처리·습식 조·이온 주입이 앞으로 나온다. 무늬는 범인을 지목하지는 못해도 알리바이는 가려 준다.

소용돌이

소용돌이(Swirl)는 중심에서 바깥으로 휘어 나가는 나선형 팔이다. 도는 웨이퍼 위에서 액체가 원심력으로 밀려 나가며 그리는 궤적이다. 감광막 도포의 줄무늬(Striation), 현상액이나 린스가 고르게 퍼지지 못한 자국, 회전 건조 중에 남은 물 자국, CMP의 슬러리 분포에서 나온다. 팔이 휘는 방향은 회전 방향을, 팔의 개수와 간격은 노즐의 움직임과 회전수의 관계를 담고 있다. 소용돌이는 스핀 공정을 거의 직접 가리키는 드문 무늬다. 다만 팔이 가늘고 약해서 한 장의 합격/불합격 맵보다는 스택 맵이나 파라메트릭 맵(8장)에서 더 잘 보인다.

국소 무늬: 군집, 스크래치, 세 점

웨이퍼 전체의 대칭과 무관하게 한 곳에 몰린 무늬다. 접촉이나 낙하처럼 한 번 일어난 사건이 남긴 것이 많다.

국소 무늬의 기하. 직선은 곧게 움직이는 것(로봇 암, 카세트 슬롯)이, 호는 돌면서 닿는 것(연마 패드, 브러시)이 남긴다. 호의 곡률 반지름과 회전 중심의 위치는 그 부품의 치수와 맞아야 한다. 세 점은 웨이퍼를 받치는 핀의 배치 그대로다.

군집

군집(Cluster)은 한두 곳에 뭉친 덩어리다. 챔버 벽이나 샤워헤드에 쌓였던 막이 떨어져 내린 파티클 소나기, 약액 방울이 튄 자국, 국소적으로 묻은 오염이 만든다. WM-811K의 Loc이 이것이다. 군집은 웨이퍼마다 자리가 달라 스택하면 사라지므로, 장비의 구조가 아니라 언제 일어났는지를 따라간다. 어느 웨이퍼부터 나타났는지, 장비 정비 주기와 맞는지를 본다. 뭉치는 정도는 4장의 군집 계수 α로도 드러난다.

스크래치

스크래치(Scratch)는 폭이 다이 하나, 길이가 수십 mm 이상인 가는 줄이다. 직선이면 웨이퍼를 곧게 넣고 빼는 동작(로봇 암의 끝단, 카세트 슬롯, 정렬기)을 의심하고, 호라면 돌면서 닿는 것을 의심한다. CMP에서는 패드에 박힌 굵은 입자나 뭉친 슬러리가 웨이퍼와 패드의 상대 운동을 따라 긴 호를 그린다. 길이 $L$인 스크래치가 망가뜨리는 다이는 대략 $L$을 다이 피치로 나눈 수다. 100 mm 스크래치는 6.5 × 8 mm 다이 열몇 개를 지나 수율로는 1%p 남짓이다. 손실은 작아도 줄지어 선 불량은 우연으로는 나오기 어려워 한 장만으로 판정할 수 있는 드문 무늬다.

맵에서 줄이 다이 격자의 행이나 열과 나란하다면 스크래치가 아닐 수 있다. 프로브 카드가 한 줄씩 옮겨 가며 테스트하다 생긴 접촉 불량, 곧 테스트가 만든 가짜 무늬를 먼저 지운다(8장). 진짜 스크래치는 격자와 상관없는 각도로 지나가고, 인라인 검사의 결함 좌표에서 점들이 한 줄로 늘어선 모습으로 다시 확인된다(7장).

세 점

세 점(Pin marks)은 120° 간격으로 놓인 작은 얼룩 세 개다. 웨이퍼를 척에서 들어 올리는 리프트 핀, 핫플레이트의 받침 핀이 닿는 자리다. 핀 자리는 주변과 온도가 달라 막 두께나 선폭이 어긋나고, 핀에서 묻은 뒷면 오염은 다음 노광에서 웨이퍼를 국소적으로 들어 올려 초점을 벗어나게 한다. 원인은 웨이퍼 뒷면에 있는데 불량은 앞면 패턴에 나타난다. 세 점은 웨이퍼 기준 무늬라 장마다 같은 자리에 나오고, 점이 놓인 원의 반지름과 각도가 장비의 핀 배치와 맞아야 한다. 군집과 달리 스택하면 더 또렷해진다.

샷 무늬: 반복, 필드 한쪽, 체커보드

웨이퍼 중심과는 무관하고 노광 샷을 기준으로 정해지는 무늬다. 웨이퍼 좌표로 보면 흩어진 점 같지만, 샷 경계를 겹쳐 그리거나 모든 샷을 하나로 접으면(2장) 규칙이 드러난다. 이 가족의 용의자는 처음부터 노광 공정과 레티클로 좁혀진다.

샷 무늬 세 가지. 굵은 선이 샷, 점선이 다이 경계다(그림은 샷당 다이 2 × 2개). 화살표는 스캐너가 슬릿을 훑는 방향으로, 이웃한 샷은 반대 방향으로 스캔한다.

반복 결함(Repeater)은 샷마다 같은 자리의 다이가 불량인 무늬다. 레티클에 결함이나 오염이 있으면 찍을 때마다 같은 자리에 같은 결함이 옮겨진다. 샷 하나에 다이가 $n$개 들어가면 반복 결함 하나가 가져가는 손실은 약 $1/n$이다. 사건 YB-12의 4 × 4 샷이면 약 6%다. 맵 전체에 고르게 퍼져 있어 얼핏 무작위 불량이 늘어난 것처럼 보이고, 반지름·각도로는 아무 특징이 없다. 격자 간격으로만 보인다. 그래서 놓치기 쉽고, 놓치면 그 레티클을 쓰는 모든 웨이퍼가 같은 손실을 본다. 11장이 이 무늬 하나를 다룬다.

필드 한쪽(Intra-field)은 샷의 한 변이나 한 모서리에 놓인 다이들이 약한 무늬다. 노광 필드 안에서 초점이나 선폭이 기울어 있으면 공정 여유가 가장 작은 쪽의 다이부터 떨어진다. 렌즈 수차, 레티클의 휨, 스캔 중 레티클과 웨이퍼 스테이지의 어긋남이 원인이다. 체커보드(Checkerboard)는 샷 전체가 하나 걸러 하나씩 나쁜 무늬다. 스캐너는 처리량을 위해 이웃한 샷을 서로 반대 방향으로 스캔하는데, 방향에 따라 정렬이나 초점이 조금 다르면 한쪽 방향으로 찍은 샷만 규격 끝에 걸린다.

샷 무늬와 웨이퍼 무늬가 만나는 곳가장자리의 샷은 일부가 웨이퍼 밖으로 나간다. 이런 부분 샷은 초점 측정과 수평 맞춤이 어렵고 주변 패턴 밀도도 달라 불량률이 높다. 그 결과는 가장자리 고리처럼 보이지만 경계가 원이 아니라 샷 경계를 따라 계단 모양이다. 가장자리 무늬가 매끈한 원인지 각진 계단인지를 보면 식각·증착 쪽인지 노광 쪽인지 가려진다.

무늬가 겹칠 때

도감의 무늬는 하나씩 놓고 보면 쉽다. 실제 맵에서는 평소의 무작위 불량 위에 무늬가 얹히고, 운이 나쁘면 무늬 둘이 한꺼번에 얹힌다. 서로 무관한 원인의 손실은 더해지지 않고 곱해진다.

$$Y = Y_\text{rand}\,\prod_i \bigl(1 - L_i\bigr)$$

$Y_\text{rand}$: 무작위 결함만 있을 때의 수율, $L_i$: $i$번째 무늬가 혼자 있을 때 가져가는 손실 비율. 이미 다른 원인으로 죽은 다이는 다시 죽지 않는다.

한 장의 합격/불합격 맵은 이 모든 것을 한 색으로 칠한다. 약한 고리 위에 격자 점이 뿌려져 있으면 고리의 경계가 흐려지고 격자의 규칙도 고리의 불량에 묻힌다. 섞인 것을 가르는 칼은 세 가지다.

빈으로 가른다. 원인이 다르면 불량 메커니즘이 다르고, 메커니즘이 다르면 떨어지는 테스트 항목이 다르다(8장). 빈 하나만 남기고 맵을 다시 그리면 그 빈을 만든 무늬만 남는다. 가장 값싼 방법이다. 맵은 이미 있고 색만 바꾸면 된다.
층으로 가른다. 인라인 검사의 결함 맵은 공정 층마다 따로 있다(7장). 고리가 어느 층의 검사에서 처음 나타났는지를 보면 빈이 같더라도 원인을 가를 수 있다.
웨이퍼로 가른다. 무늬 하나는 모든 웨이퍼에, 다른 하나는 일부 웨이퍼에만 있을 수 있다. 장마다 나누어 보고 겹쳐 보는 일은 10장에서 한다.

SIMULATOR

무늬 겹치기와 빈으로 가르기

무늬 A A의 세기 무늬 B B의 세기 무작위 결함 밀도 D₀

두 무늬가 같은 빈(빈 4)으로 떨어진다

수율—

전체 맵의 판정—

빈 8만의 판정—

빈 4만의 판정—

해볼 것: ① 기본값은 사건 YB-12의 짝수 슬롯 웨이퍼다. 위의 합격/불합격 맵에서 무늬가 몇 개인지 먼저 세어 보고, 아래의 빈 8 맵과 빈 4 맵을 본다. "정답"을 누르면 어느 불량이 어느 원인에서 왔는지 색으로 나온다. ② B의 세기를 20%까지 낮춘다. 전체 맵의 판정에서 도넛이 먼저 사라지지만 빈 4 맵에서는 더 오래 버틴다. 빈으로 가르면 다른 무늬와 무작위 불량의 대부분이 빠져 대비가 올라가기 때문이다. ③ "같은 빈으로 떨어진다"를 켠다. 빈 4 맵에 두 무늬가 다시 섞이고 빈 8 맵에는 무작위 불량만 남는다. 빈은 원인이 서로 다른 테스트에서 걸릴 때만 듣는 칼이다. ④ A와 B를 가장자리와 도넛, 스크래치와 군집처럼 바꿔 본다. 닮은 무늬끼리는 빈이 달라야만 갈린다. ⑤ D₀를 1까지 올리면 빈 4의 무작위 불량이 도넛을 덮는다. (모델의 가정: 무늬 A가 먼저 다이를 차지하고, 무작위 불량은 여섯 빈에 정해진 비율로 흩어진다. 그래서 빈 4와 빈 8 맵에도 무작위 불량이 조금씩 섞인다.)

먼저 걸린 빈이 뒤의 증상을 가린다양산 테스트는 첫 실패에서 멈추므로 다이 하나에는 빈이 하나만 찍힌다(8장). 두 원인이 같은 다이를 망가뜨렸다면 테스트 순서가 앞선 쪽의 빈만 남는다. 앞선 빈의 불량이 많은 구역에서는 뒤 빈의 무늬에 구멍이 뚫린다. 빈별 맵에서 무늬가 군데군데 비어 보이면 다른 빈이 그 자리를 차지하고 있는지 확인한다.

무늬를 읽는 순서

맵을 받으면 같은 순서로 묻는다. 순서를 지키면 빠뜨리는 것이 없고, 다른 사람과 같은 말로 무늬를 기술할 수 있다.

다섯 가지 질문. 앞의 넷은 맵 한 장으로 답하고, 마지막은 여러 장이 있어야 답한다. 대칭이 무늬의 가족을, 위치와 크기가 장비의 치수를, 빈이 불량 메커니즘을, 재현성이 원인의 지속성을 알려 준다.

대칭. 웨이퍼 중심에 대해 둥근가, 한쪽으로 기울었는가, 샷 간격으로 되풀이되는가, 아니면 한 곳에만 있는가. 이것으로 가족이 정해진다.
위치. 반지름 몇 mm인가, 노치에서 몇 도 방향인가, 샷 안의 몇 열 몇 행인가. 숫자로 적는다. "가장자리 근처"가 아니라 "반지름 130 mm 바깥"이다.
크기. 다이 몇 개가 걸렸고 수율로 몇 %p인가. 띠나 선의 폭은 얼마인가. 폭이 다이 하나인 선과 다이 다섯 개인 띠는 원인이 다르다.
빈. 무늬의 불량이 한 빈에 몰려 있는가. 몰려 있으면 원인이 하나이고 메커니즘이 일정하다. 빈별로 다른 무늬가 나오면 원인이 여럿이다.
재현성. 같은 로트의 다른 웨이퍼, 다른 로트에도 같은 자리에 있는가. 모든 웨이퍼라면 공통으로 지난 장비나 레티클, 일부 웨이퍼라면 챔버나 슬롯, 한 장뿐이라면 일회성 사건이다.

무늬별 정리

무늬	모양	흔한 원인 공정	다음에 확인할 것
가장자리 고리 Edge ring	바깥 10~20 mm 띠, 둘레 전체	식각·증착의 가장자리 불균일(포커스 링 마모), 막 들뜸, EBR·베벨, CMP 가장자리	띠가 시작되는 반지름, 둘레 전체인지 일부인지, 경계가 원인지 샷 계단인지
중심 Center	중심부의 둥근 영역	가스·플라즈마의 중심 편차, CMP 중심 과연마, 스핀 노즐 토출	영역의 반지름, 파라메트릭 맵의 중심–가장자리 차이
도넛 Donut	중간 반지름의 띠	척 온도 구역 경계, CMP 헤드 압력 구역, 스퍼터 타깃 침식, 세정 노즐 반지름	띠의 안·바깥 반지름을 장비 구역 치수와 대조
한쪽 치우침 Gradient	한 방향으로 갈수록 나빠짐	한쪽 유입·배기, 웨이퍼 치우침, 온도 구배, 습식 조의 담금 방향	노치 기준 방향, 장비별 노치 방향과 대조, 웨이퍼 간 각도 변화
소용돌이 Swirl	중심에서 휘어 나가는 나선 팔	스핀 도포·현상·세정·건조의 약액 흐름, CMP 슬러리	팔이 휘는 방향과 개수, 회전수·노즐 동작 조건
세 점 Pin marks	120° 간격의 작은 얼룩 셋	리프트 핀·받침 핀의 온도 차, 뒷면 오염에 의한 초점 불량	점이 놓인 반지름과 각도, 뒷면 검사
군집 Cluster	한두 곳의 덩어리, 장마다 자리가 다름	파티클 낙하(챔버 벽·샤워헤드 박리), 액적, 국소 오염	언제부터 나타났는지, 정비 주기, 파티클 모니터 기록
스크래치 Scratch	폭 다이 하나의 직선	반송·핸들링(로봇 암, 카세트, 정렬기)	줄의 방향과 길이, 인라인 결함 좌표, 격자와 나란하면 테스트 문제
호 스크래치 Arc scratch	폭 다이 하나의 호	CMP 패드의 굵은 입자, 브러시 세정	곡률 반지름과 회전 중심의 위치
반복 결함 Repeater	샷마다 같은 자리의 다이	레티클 결함·오염, 펠리클 이물	샷으로 접은 맵, 같은 레티클을 쓴 다른 로트
필드 한쪽 Intra-field	샷의 한 변을 따라 줄지음	필드 안 초점·선폭 기울기, 렌즈 수차, 레티클 휨	샷 안 자리별 불량률, 노광기 호기
체커보드 Checkerboard	샷 단위로 하나 걸러 하나	스캔 방향에 따른 정렬·초점 차이	스캔 방향 기록과 대조
무작위 Random	고르게 흩어짐	파티클 등 서로 무관한 결함(결함 밀도 D₀)	결함 파레토와 D₀ 추세. 맵으로는 좁히기 어렵다

표의 "흔한 원인"은 출발점이지 결론이 아니다. 한 무늬에 후보가 여럿이고(도넛을 만드는 구역은 식각에도 CMP에도 세정에도 있다), 같은 원인이 조건에 따라 다른 무늬로 나오기도 한다. 무늬는 용의자를 수백 개의 공정 단계에서 몇 개의 장비 종류로 줄여 준다. 그중 누구인지는 인라인 검사의 층 정보(7장), 장비의 치수(12장), 로트 이력(13장)이 정한다.

WM-811K: 공개된 무늬 분류

무늬의 이름은 회사마다 다르지만 연구에서는 WM-811K 데이터셋의 분류가 사실상의 기준으로 쓰인다. 실제 양산 라인에서 모은 웨이퍼 맵 약 81만 장을 공개한 것으로, 그 가운데 약 17만 장에 엔지니어가 붙인 이름표가 있다. 이름표가 붙은 맵의 대부분(약 85%)은 무늬 없음이고, 나머지가 여덟 가지 무늬로 나뉜다. 가장 많은 것은 Edge-Ring이고 가장 드문 것은 Near-full이다.

WM-811K 분류	모양	이 책의 무늬
Center	중심부에 몰림	중심
Donut	중간 반지름의 고리	도넛
Edge-Ring	가장자리 둘레 전체	가장자리 고리
Edge-Loc	가장자리의 일부 구간	가장자리 고리와 한쪽 치우침이 겹친 것, 가장자리의 군집
Loc	안쪽 한 곳의 덩어리	군집, 세 점
Scratch	가는 선이나 호	스크래치, 호 스크래치
Random	무늬 없이 불량이 많음	무작위(결함 밀도 상승)
Near-full	거의 전부 불량	공정 누락·오처리, 테스트 설정 오류. 무늬 분석 이전의 문제

이 분류에는 샷 기준 무늬가 없다. 맵마다 다이 크기와 샷 구성이 달라 샷 정보를 함께 담기 어렵기 때문이고, 그래서 반복 결함은 Random이나 none으로 섞여 들어간다. 한쪽 치우침과 소용돌이도 따로 없다. 공개 분류에 없는 무늬가 현장에는 있다는 점을 기억해 둔다. 이 분류로 학습한 자동 분류기의 능력과 한계는 10장에서 다룬다.

SIMULATOR

무늬 맞히기 10문제

"문제 시작"을 누르면 숨겨진 원인이 만든 맵이 나온다. 맵을 보고 가장 그럴듯한 원인을 고른다.

샷 경계 표시

진행0/ 10

점수0

이 문제에서 본 웨이퍼—

해볼 것: ① 쉬움으로 열 문제를 푼다. 보기 다섯 개 가운데 하나가 정답이다. 답을 고르면 무늬가 만든 불량과 무작위 불량이 다른 색으로 나온다. ② 보통과 어려움에서는 무늬가 약하고 무작위 불량이 많다. 한 장으로 모르겠으면 "다른 웨이퍼 보기"로 같은 로트의 다른 장을 본다(다섯 장까지 돌려 볼 수 있고, 쓰면 그 문제는 0.5점). 같은 자리에 되풀이되는지가 가장 센 단서다. ③ 샷 무늬가 의심되면 샷 경계를 켠다. ④ 어려움에서는 무작위와 반복 결함, 중심과 군집, 도넛과 가장자리 고리가 잘 헷갈린다. 틀린 문제가 어떤 쌍이었는지 기억해 두자. 눈으로 가릴 수 없는 지점부터가 통계의 일이다(10장). (난이도는 무늬 세기 85% · 50% · 30%, 무작위 불량률 3% · 8% · 15%.)

CASE YB-12사건 파일 · 9장

한 장에 무늬가 둘

문제 로트의 2번 슬롯 웨이퍼를 도감에 대 본다. 합격/불합격 맵은 평소보다 불량이 많다는 것 말고는 말해 주는 것이 적다. 바깥쪽이 조금 더 붉어 보이지만 고리라고 하기에는 경계가 흐리고, 안쪽에도 불량이 고르게 흩어져 있다. 무작위 불량이 늘었다고 보아도 그럴듯한 그림이다. 그러나 4장의 계산은 무작위가 아니라고 했다.

읽는 순서대로 빈을 나눈다. 빈 8(전원 단락)만 남기면 불량이 샷마다 같은 자리, 왼쪽에서 3번째 열·아래에서 2번째 행의 다이에 줄 맞춰 선다. 샷 기준 무늬, 반복 결함이다. 빈 4(기능·스캔)만 남기면 반지름 약 95~120 mm에 띠가 선다. 웨이퍼 기준 무늬, 도넛이다. 둘은 기준 좌표가 다르고 떨어지는 빈도 다르다. 하나의 원인이 샷 격자와 동심원을 함께 만들 수는 없다. 무늬가 둘이면 원인도 둘이다.

얻은 단서불량은 두 무늬의 겹침이다. 반복 결함은 노광·레티클 쪽을, 도넛은 반지름 방향으로 구역이 나뉜 장비를 가리킨다. 수사는 두 갈래로 나뉜다.

아직 모르는 것도넛이 로트의 모든 웨이퍼에 있는가. 한 장으로는 띠가 흐려 확신하기 어렵다. 어느 레티클인지, 어느 장비의 어느 구역인지도 모른다.

다음 단계25장을 겹치고 웨이퍼별로 나누어 무늬가 우연이 아님을 숫자로 확인하고, 반지름 프로파일로 띠의 위치를 잰다(10장).

핵심 정리

무늬는 장비가 웨이퍼를 다루는 방식의 대칭에서 나온다. 회전은 동심원을, 한 방향 흐름은 기울기를, 스텝 반복은 격자를, 접촉은 선·호·점을 남긴다.
가장자리 고리, 중심, 도넛은 반지름 방향 프로파일이 규격을 벗어난 위치만 다른 한 가족이다. 도넛의 반지름은 장비 안 구역의 치수와 대조한다.
공정 중에 웨이퍼가 돌면 방향 무늬는 반지름 무늬로 바뀐다. 또렷한 한쪽 치우침은 웨이퍼를 돌리지 않는 장비를 가리킨다.
웨이퍼 기준 무늬와 샷 기준 무늬는 장마다 같은 자리에 되풀이되고, 군집과 스크래치는 자리가 바뀐다. 재현성은 원인이 장비의 구조인지 일회성 사건인지를 가른다.
반복 결함은 반지름·각도로는 특징이 없고 샷 좌표로만 보인다. 샷당 다이가 n개면 손실은 약 1/n이다.
겹친 무늬는 빈별, 층별, 웨이퍼별로 가른다. 기준 좌표가 다른 무늬 둘은 원인도 둘이다.
맵은 대칭 → 위치 → 크기 → 빈 → 재현성의 순서로 읽는다. 무늬는 용의자의 범위를 줄일 뿐 범인을 확정하지 않는다.

확인 퀴즈

매엽식 세정 장비의 노즐이 웨이퍼 중심에서 90 mm 떨어진 자리에 멈춘 채 약액을 뿌렸다. 웨이퍼는 계속 돌고 있었다. 맵에 남을 가능성이 가장 큰 무늬는?

웨이퍼가 돌면 고정된 한 점은 웨이퍼 위에서 원을 그린다. 각도 방향의 차이는 평균되어 사라지고 반지름 90 mm라는 정보만 남는다. 웨이퍼가 멈춰 있었다면 군집이 되었을 것이다.

맵 전체에 불량이 고르게 늘었고 반지름·각도 어느 쪽으로도 치우침이 없다. 무작위 결함이 늘었다고 결론 내리기 전에 반드시 해 볼 것은?

반복 결함은 웨이퍼 좌표로는 고르게 흩어진 점처럼 보인다. 샷 좌표로 옮겨야 한 자리에 쌓인다. 무작위라는 결론은 샷 기준 무늬를 지운 뒤에 내린다.

로트 25장 가운데 한 장에만 길이 약 80 mm의 호 모양 불량 줄이 있다. 다른 웨이퍼에는 없다. 가장 알맞은 해석은?

호는 회전 운동의 궤적이고, 한 장에만 있다는 것은 장비의 상시 구조가 아니라 그때 한 번 일어난 접촉이라는 뜻이다. 폭이 다이 하나인 줄이 우연히 생길 확률은 매우 낮다. 레티클 결함은 샷 격자로, 척 구역은 동심원으로 나온다.

합격/불합격 맵에서는 무늬가 흐린데, 빈 3만 남기면 가장자리 고리가, 빈 6만 남기면 한쪽 치우침이 나온다. 올바른 판단은?

회전 대칭 무늬와 방향 무늬는 서로 다른 동작에서 나오고, 빈이 다르다는 것은 불량 메커니즘도 다르다는 뜻이다. 합격/불합격 맵은 둘을 한 색으로 칠해 흐리게 만들었을 뿐이다.