증착·식각 장비 내부 파티클 유입 사고

반도체 공정에서 가장 흔하면서도 치명적인 사고 유형 중 하나는 ‘파티클(Particle)’ 사고다. 파티클은 눈에 보이지 않는 먼지 수준의 미세 입자지만, 미세 공정에서는 단 한 개의 파티클이 수백 개의 트랜지스터를 동시에 파괴할 수 있다. 특히 증착(CVD/PVD/ALD)과 식각(Etching) 장비 내부의 파티클은 장비 구조상 외부에서 확인하기 어렵고, 수율 저하가 발생한 뒤에야 뒤늦게 발견되는 경우가 많다.

1. 사고 시작: 특정 공정 이후 갑자기 증가한 오픈·쇼트 불량

문제는 식각(Etching) 공정 테스트 데이터에서 발견되었다. 정상적으로 가공되어야 할 라인이 특정 구간에서 끊기거나 과식각된 형태의 오픈 불량이 발생했다. 반대로 일부 영역에서는 재료가 완전히 제거되지 않아 쇼트(short)가 유발되기도 했다. 가장 특이한 점은 이 불량들이 일정한 패턴이 아니라 웨이퍼 전역에 무작위로 나타났다는 것이다. 이는 포토·마스크 문제보다는 공정 중 파티클 유입 가능성을 강하게 암시했다.

2. 초기 진단: 공정 조건은 정상, 장비 Recipe도 이상 없음

엔지니어들은 즉시 공정 레시피를 점검했다. 가스 유량, 압력, RF 파워, 챔버 온도 등 식각 조건을 확인했으나, Recipe 변경 이력은 없었다. 또한 증착 공정에서도 막 두께는 정상 범위였고, 공정 모니터링 웨이퍼에서도 특이한 변화는 보이지 않았다. 즉, 공정 파라미터의 이상은 아니었다.

3. 원인 추적: 장비 내부 챔버 표면에서 떨어진 파티클

본격적인 원인 분석은 장비를 SHUT DOWN시키고 챔버 내부를 열어본 순간 드러났다. 증착 장비의 실린더 벽면과 샤워헤드 주변에 미세한 금속 파편과 박막 잔여물이 들러붙어 있었고, 일부는 이미 벗겨진 상태였다. 특히 식각 장비에서는 챔버 라이너(Liner)에 미세 크랙이 발생해 그 틈에서 벗겨진 파티클이 내부 흐름을 따라 웨이퍼 위로 낙하한 것이 확인되었다. 이 파티클들은 노광 패턴 위에 그대로 얹혀 있다가 식각 단계에서 마스크처럼 작용하여 불균일 식각(Over-etch/Under-etch)을 유발했고, 그 결과 라인이 끊기거나 짧아지는 불량이 발생한 것이다.

4. 파티클이 왜 생겼는가: 장비 보수주기 관리 실패

조사 결과 파티클 발생의 큰 원인은 장비 정기 보수 주기의 연장이었다. 생산량 확대를 위해 PM(Preventive Maintenance)을 기존 대비 수일 연기한 상태였고, 그 기간 동안 누적된 막 잔여물이 한계점에 도달해 박리되기 시작한 것이다. 일부 장비에서는 가스 플라즈마가 유입되는 노즐 주변에 쌓인 Polymer 잔여물이 과열로 인해 단단하게 경화되었고, 특정 조건에서 갈라져 떨어져 나간 것으로 분석됐다.

5. 피해 규모: 장비 3대 정지 + 수율 급락

파티클 유입이 확인되자 관련 장비 3대가 즉시 셧다운되었고, 챔버 크리닝(Cleaning)과 라이너 교체 작업이 동시에 진행되었다. 사고가 발생한 기간 동안 생산된 웨이퍼는 대부분 재검사 대상이 되었으며, 이 중 상당수는 리워크가 불가능해 스크랩 처리되었다. 수율은 평소 대비 20~40% 수준까지 급격히 떨어졌고, 한 단계 공정 문제가 이후 공정 전체에 영향을 미치면서 최종 수율에도 심각한 손실을 남겼다.

6. 재발 방지: 장비 내부 모니터링 시스템 강화

사고 후 엔지니어링 팀은 장비 내부 파티클 모니터링을 강화했다. 기존에는 주기적인 PM을 통해서만 내부 오염을 확인했지만, 이후로는 다음과 같은 예방 체계가 추가되었다. 1) 챔버의 파티클 센서 설치 2) 플라즈마 균일성 변화 실시간 모니터링 3) 증착·식각 잔여물 양을 예측하는 AI 기반 알고리즘 도입 4) PM 주기를 생산량과 연동해 자동으로 조정하는 시스템

7. 기술적 시사점: 미세공정일수록 파티클은 “살인자”다

반도체 미세화가 5nm·3nm·2nm로 갈수록, 파티클 한 개의 영향력이 기하급수적으로 커진다. 파티클은 식각 시 ‘의도하지 않은 마스크’처럼 작용해 라인을 끊거나 남길 수 있으며, 증착 단계에서는 표면 결함을 유발해 신뢰성을 떨어뜨린다. 특히 3D NAND처럼 깊은 트렌치 구조에서는 파티클 하나가 100층 이상의 구조를 통째로 망가뜨릴 수도 있다.

8. 결론: 장비 내부는 항상 “시간 폭탄”이다

증착·식각 장비 내부의 파티클 사고는 단순한 장비 오염 문제가 아니라, 라인 전체를 멈출 수 있는 잠재적 폭탄이다. 장비 내부는 작업자가 직접 볼 수 없기 때문에, 사고가 발생한 뒤에야 비로소 원인이 드러나는 경우가 많다. 이번 사례는 장비를 단순히 운용하는 것이 아니라, 내부 상태까지 예측·관리해야 한다는 점을 다시 한 번 보여준다. 다음 편에서는 반도체 공정 중 가장 비싼 사고 중 하나로 꼽히는 ‘이온주입 빔 Misalignment 사고’를 다루며, 수십억 원 규모의 대형 손실이 어떻게 발생하는지 설명한다.