[Tech Bites] 반도체 계측, 그리고 공정 제어의 역할
반도체 계측이란?
반도체 계측(Semiconductor metrology)은 반도체 제조 공정에서 반도체 소자의 물리적, 전기적 특성 등을 측정하여 그 품질을 검사하고 제어하는 과정을 의미합니다. 이를 통해 제조 공정 중 발생하는 오차와 불량을 최소화하여 반도체 소자의 성능을 향상시키고 안정적인 생산을 돕습니다.
반도체 계측의 필요성과 한계
반도체 계측은 반도체 산업에서 매우 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 반도체 제조 공정에서 생산된 제품의 품질을 확인하고, 고객에게 안정적인 제품을 공급하기 위해서도 반도체 계측이 필요합니다. 반도체 웨이퍼가 생산되기까지 적게는 400개, 많게는 600개 이상의 공정 단계를 거쳐갑니다. 그리고 길게는 2개월까지 소요되는 과정이기 때문에 주요 단계마다 검사 및 계측 (Metrology & Inspection)을 진행함으로 품질을 유지합니다. 주요 반도체 공정마다 각 lot당에서 2~3장의 웨이퍼를 선정해 별도의 계측 라인에서 반도체 박막(thin film), 식각(etch) 및 증착(deposition) 패턴 등을 측정해 lot 전체의 품질을 결정합니다.
그러나 이런 lot-to-lot (L2L) 제어 방식은 최근 확산하는 초소형 디바이스의 다품종 소량생산 체제와는 부합하지 않아 wafer-to-wafer (W2W) 계측에 대한 관심도 증가하고 있습니다. 또한 기존 L2L 제어는 별도 계측 및 검사 장비로 이동해서 진행하기 때문에 웨이퍼 처리량, 사이클타임, 비용 등으로 인해 생산성에 영향을 줄 수밖에 없습니다.
가상 계측을 하는 이유
반면에, 가상 계측 (Virtual Metrology) 및 제조 빅데이터를 활용하게 된다면 실측 데이터보다 높은 빈도로, 실시간 계측 데이터를 샘플링 할 수 있어 공정과 생산성 모두 보존할 수 있습니다. 민감한 반도체 제조 공정에서 발생하는 각종 side reaction들과 주변 환경으로부터 발생하는 영향은 실제 공정을 운영하기 전에 완벽하게 이해하기 어렵기 때문에 최적의 공정 조건을 적용하기 위해선 제어가 중요한 역할을 합니다.
공정 제어란?
공정 제어란 물리적인 시스템의 상태나 조건의 제어 변수 (Control Variable, CV)를 외부 교란 변수(Disturbance, D) 하에 조작 변수(Manipulated Variable, MV)를 조절하여 설정점(Set Point, SP)에 최근접 범위를 유지시키는 작업입니다.
이해를 돕기 위해 우리가 운전하는 과정을 제어 관점으로 설명하겠습니다:
l 자동차 운전을 하는 상황에서 차의 진로 = 상태 및 조건의 제어 변수, Control Variable
l 목적지까지의 경로 = 설정점, Set Point
l 눈 = 센서
l 운전대(손), 악셀/브레이크(발) 등의 움직임 = 조작 변수, Manipulated Variable
l 운전자의 뇌 = 제어 장치
ð 차의 진로와 목적지까지의 경로로 주행할 수 있도록 사전에 학습했던 운전 경험을 토대로 운전대, 악셀, 브레이크, 등을 조작해 안전한 운행 (최적의 행동)을 하도록 운전자의 뇌에서 행동으로 이행될 수 있도록 전달하는 프로세스입니다.
1. Feedback Control (되먹임 제어)
제어 기술의 가장 기본은 Feedback (되먹임)에 의한 원리입니다. 지정된 설정값 또는 원하는 출력 및 상태 영역에서 벗어나게 되었을 때, 오차를 감지해 “정상” 범주로 되돌리기 위해 조작변수 (Manipulated Variable)을 계산해 공정의 조건을 조정합니다.
2. Feedforward Control (앞먹임 제어)
그러나 시상수(time constant)가 크거나 시간 지연이 발생하는 공정에서는 feedback만으로 성능을 얻을 수 없는 경우가 많아 Feedforward (앞먹임) 제어를 사용하기도 합니다. Feedforward Control은 중요한 외부 교란변수를 측정해 공정에 영향을 미치기 전에 사전조정을 합니다.
