EPD와 OES만으로
충분할까?

Endpoint를 찾는 것과 최종 품질을 일정하게 만드는 것은 서로 다른 문제입니다.

CMP와 Etch는 반도체 제조에서 공정 종료 시점을 정확히 판단하는 것이 중요한 대표적인 공정입니다. CMP에서는 EPD를 이용해 목표 막이 제거되는 시점을 판단하고, Etch에서는 OES 등의 센서 신호를 이용해 식각층과 하부막의 전환을 감지합니다.

이러한 기술은 단순히 정해진 시간만큼 공정을 수행하던 방식보다 훨씬 정교한 자동화를 가능하게 합니다. 공정이 실제로 진행되는 상태를 보면서 종료 또는 다음 단계로의 전환 시점을 결정할 수 있기 때문입니다.

하지만 endpoint를 정확하게 탐지했다고 해서 웨이퍼의 최종 품질까지 항상 동일해지는 것은 아닙니다. 실제 양산 공정에는 endpoint 이후에도 품질을 결정하는 구간이 남아 있기 때문입니다.

CMP EPD는 마찰·음향·광학 신호의 변화로, Etch OES는 광방출 spectrum의 변화로 endpoint를 판단합니다. 두 공정 모두 endpoint 이후에 over-polish 또는 over-etch 구간이 남아 있고, 그 시점에도 웨이퍼에는 아직 제거되지 않은 막이 남아 있을 수 있습니다.

CMP에서는 endpoint 이후에도 연마가 계속됩니다

CMP EPD는 일반적으로 특정 막이 제거되기 시작하거나 하부막이 노출되는 변화를 감지합니다. 그러나 웨이퍼의 모든 위치가 정확히 같은 순간에 endpoint에 도달하는 것은 아닙니다. 같은 웨이퍼 안에서도 다음과 같은 위치별 차이가 발생할 수 있습니다.

• 웨이퍼 내 막 두께 및 패턴 밀도 차이
• 위치별 압력(pressure) 차이
• slurry 공급량 차이
• pad 접촉 상태 차이

이 때문에 어떤 영역은 목표막이 이미 제거된 반면, 다른 영역에는 아직 잔여막이 남아 있을 수 있습니다.

따라서 CMP에서는 EPD가 기준점을 탐지한 뒤에도 일정 시간 연마를 계속하는 over-polish 구간을 두는 경우가 많습니다. 이 구간은 아직 남아 있는 막을 제거하고 웨이퍼 전체를 충분히 clear하기 위해 필요합니다.

• over-polish가 너무 짧으면: 잔여막과 미제거 영역이 남습니다.
• over-polish가 너무 길면: dishing, erosion, 하부막 손실 같은 문제가 커집니다.

결국 최종 품질은 endpoint를 얼마나 정확히 찾았는지만으로 결정되지 않고, 그 이후의 연마 조건까지 포함해 결정됩니다.

Etch에서도 endpoint 이후의 over-etch가 중요합니다

Plasma Etch에서 OES는 플라즈마가 방출하는 빛의 파장과 세기 변화를 측정합니다. 식각되는 물질이나 반응 부산물이 달라지면 방출 spectrum도 변하기 때문에, 이를 이용해 목표층이 제거되고 하부막이 노출되기 시작하는 시점을 판단할 수 있습니다.

그러나 OES가 포착하는 endpoint는 웨이퍼의 일부 영역에서 하부막 노출이 시작된 시점일 수 있습니다. 식각 속도에 영향을 주는 요인은 다음과 같습니다.

• 웨이퍼 위치
• 패턴의 크기와 밀도
• loading
• chamber 상태

이 때문에 endpoint가 감지된 순간에도 일부 feature에는 제거해야 할 물질이 남아 있을 수 있습니다.

이 때문에 많은 Etch recipe에서는 main etch 이후 over-etch(또는 finish-etch) 단계를 둡니다. 이 단계에서는 잔여막과 stringer를 제거해 패턴이 완전히 open되도록 하면서도, 하부막 손실과 CD 변화, profile 손상을 허용 범위 안으로 제한해야 합니다.

• over-etch가 부족하면: 미식각과 잔여물이 발생합니다.
• over-etch가 과도하면: 하부막과 구조물까지 손상될 수 있습니다.

Etch에서도 endpoint는 최종 결과가 아니라, 품질을 결정하는 다음 제어 구간의 시작점이 될 수 있습니다.

고정된 over-polish와 over-etch 조건에는 한계가 있습니다

가장 단순한 운영 방법은 endpoint가 감지된 뒤 항상 같은 시간만큼 over-polish 또는 over-etch를 수행하는 것입니다. 공정 상태가 일정하다면 이러한 방식도 충분히 사용할 수 있습니다.

하지만 실제 양산에서는 다음과 같은 변화가 지속적으로 발생합니다.

• incoming wafer의 막 두께와 패턴 구성 변화
• CMP pad와 slurry의 노화
• Etch chamber와 focus ring 등 소모품 상태 변화
• chamber 세정, 장비 정비, 소모품 교체에 따른 제거율(removal rate)·etch rate 변화

Endpoint까지 걸린 시간이 달라졌다는 것은 공정 속도나 투입 상태가 달라졌다는 신호일 수 있습니다. 그런데 endpoint 이후에는 언제나 같은 시간과 조건을 사용한다면, 이러한 변화가 최종 품질 편차로 이어질 수 있습니다.

EPD와 OES의 탐지 정확도를 높이는 것만으로는 이 문제를 모두 해결하기 어렵습니다. 탐지는 현재 공정에서 변화가 발생한 시점을 알려주지만, 다음 웨이퍼에서도 동일한 결과가 나오도록 조건을 지속적으로 조정하는 역할까지 수행하지는 않기 때문입니다.

APC는 endpoint 이후의 품질을 관리합니다

APC(Advanced Process Control, 고급 공정 제어)는 공정 데이터와 품질 결과를 이용해 다음 run에 적용할 조건을 자동으로 조정합니다. CMP에서는 polishing time이나 공정 조건을 보정할 수 있고, Etch에서는 over-etch 시간이나 recipe setpoint를 조정할 수 있습니다.

• 이전 웨이퍼의 계측 결과에서 잔여막이 확인되면 → 다음 run의 공정 조건을 보완(연마·식각 시간 연장 등)
• 하부막 손실이나 과도한 제거가 나타나면 → over-polish 또는 over-etch를 줄이는 방향으로 조정

장비 상태와 소모품 수명, 최근의 endpoint 시간 변화, incoming wafer 정보까지 함께 활용하면 단순한 고정 시간 방식보다 공정 변화에 유연하게 대응할 수 있습니다.

다만 모든 계산 결과를 즉시 적용하기보다는 다음과 같은 안전장치를 함께 설정해야 합니다.

• 조정 가능한 범위
• 최대 공정 시간
• fallback recipe
• 승인 조건

이런 구조에서 EPD와 OES는 APC를 대체하는 기술이 아닙니다. EPD와 OES가 공정 중 상태 변화를 빠르게 감지한다면, APC는 여러 run에 걸쳐 공정 조건을 업데이트하며 최종 결과의 편차를 줄입니다.

Endpoint는 공정 제어의 끝이 아닙니다

CMP EPD와 Etch OES는 이미 매우 유용한 자동화 기술입니다. 정해진 시간만 사용하는 방식보다 실제 공정 상태를 더 잘 반영하고, under-polish와 under-etch 또는 불필요한 과공정을 줄이는 데 도움을 줍니다.

그러나 양산에서 필요한 것은 endpoint를 반복해서 잘 찾는 것만이 아닙니다. Endpoint 이후의 over-polish와 over-etch까지 포함해 웨이퍼마다 최종 품질을 일정하게 유지해야 합니다.