포토 공정 마스크 오염이 만든 대형 수율 참사

반도체 공정에서 가장 무서운 사고는 큰 소리가 나는 사고가 아니라, 조용히 진행되다가 나중에야 발견되는 불량이다. 특히 포토 공정에서의 마스크 오염은 초기에는 티가 잘 나지 않지만, 한 번 문제를 일으키면 웨이퍼 수십 장이 한꺼번에 불량으로 전락하는 치명적인 결과를 낳는다.

이번 글에서는 실제 현장에서 반복적으로 언급되는 대표적인 사고 유형인 포토 공정 마스크 오염 사례를 중심으로, 사고가 어떻게 진행되고, 어떤 식으로 수율에 영향을 미치며, 어떤 교훈을 주는지 기술 중심으로 정리해본다.

1. 사건의 시작: 수율 그래프가 이상해지기 시작했다

사건은 거창하게 시작되지 않는다. 어느 날 평소와 다름없이 포토 공정과 식각 공정까지 진행된 웨이퍼들이 전기적 테스트 단계로 넘어갔고, 수율 모니터링 시스템에서 특정 공정 구간 이후부터 서서히 수율이 떨어지는 패턴이 감지되었다.

초기에는 단순한 일시적 편차로 생각했지만, 로트(lot) 두 개, 세 개가 이어질수록 불량률은 점점 더 높아졌다. 문제는 불량이 특정 칩에 국한되지 않고, 웨이퍼 전 영역에 걸쳐 불규칙하게 분포하고 있었다는 점이다. 이는 단순 장비 한 대의 이상이라기보다는, 공정 전체에 걸친 패턴 문제일 가능성을 시사했다.

2. 이상 징후: 현미경에서 발견된 미세한 패턴 깨짐

첫 번째 단서는 현미경 검사에서 발견되었다. 공정 엔지니어가 수율 불량 로트를 대상으로 포토 패턴과 식각 후 라인을 비교 분석했을 때, 특정 계열의 패턴에서 라인이 끊기거나 두께가 비정상적으로 얇아진 구간이 반복적으로 관찰되었다.

더 자세한 관찰을 위해 고배율 SEM(주사전자현미경) 이미지까지 확인한 결과, 같은 위치의 패턴에서 반복적으로 결함이 나타나는 것이 아니라, 웨이퍼 상의 다양한 좌표에서 유사한 형태의 결함이 여기저기 등장하고 있었다. 이는 웨이퍼 자체의 결함보다는 상위 공정에서 공통으로 영향을 준 요소, 즉 포토 공정 또는 마스크 상태에 문제가 있을 가능성을 강하게 시사했다.

3. 원인 추적: 포토 공정 조건이 아닌 ‘마스크’에 있었다

엔지니어 팀은 가장 먼저 포토 공정 조건부터 점검했다. 노광 에너지, 포커스 설정, 포토레지스트 도포 두께, 베이크 조건 등 레시피 관련 파라미터를 확인했지만, 레시피 변경 이력은 없었고 모니터링용 테스트 패턴도 큰 이상을 보이지 않았다.

다음으로 의심된 것은 클린룸 상태와 파티클 수준이었다. 포토 구역의 파티클 카운트 로그를 확인한 결과, 일시적인 상승 구간이 있긴 했지만, 수율 급락 구간 전체를 설명할 정도의 급격한 변화는 아니었다.

결국 마지막으로 남은 후보는 마스크였다. 해당 레이어에 사용되던 포토 마스크를 꺼내 고해상도 검사 장비로 표면을 분석한 결과, 마스크 특정 영역에 미세한 오염과 스크래치가 존재하는 것이 확인되었다. 육안으로는 거의 보이지 않을 정도의 미세 오염이었지만, 고해상도 노광 장비에서는 그대로 패턴 왜곡으로 이어질 수 있는 수준이었다.

4. 마스크 오염은 어떻게 발생했는가

사고 조사 결과, 마스크 오염의 직접적인 원인은 마스크 교체 과정 중의 미세 파티클 부착과 보관 단계에서의 취급 부주의가 복합적으로 작용한 것으로 추정되었다. 마스크 세정 후 건조 과정에서 완벽히 제거되지 않은 잔류물이 있었고, 이를 인지하지 못한 상태에서 생산에 투입되면서 시간이 갈수록 오염이 확대되는 형태였다.

일부 영역에서는 마스크 표면에 미세 스크래치가 발견되었는데, 이는 마스크 로딩/언로딩 과정에서의 접촉, 혹은 잘못된 클리닝 도구 사용에 의해 발생했을 가능성이 높았다. 결국 사람에 의한 수작업, 관리 프로세스, 검사 루틴 모두가 얇게 깔린 복합적인 원인이었다.

5. 피해 규모: 전 공정 리워크와 스크랩

문제가 되는 레이어는 공정 중반에 위치한 핵심 레이어였다. 이미 산화, 증착, 포토, 식각, 일부 이온주입까지 진행된 상태에서 뒤늦게 패턴 불량이 발견되었기 때문에, 해당 레이어를 기준으로 이전 공정이 모두 리워크 대상이 되었다.

마스크 오염이 영향을 준 기간 동안 생산된 웨이퍼들은 전수 검사를 통해 선별되었고, 일부는 재공정(리워크)이 가능했지만, 설계 여유가 없는 구간이나 패턴 붕괴가 심한 웨이퍼는 결국 스크랩 처리되었다. 그 결과 한 번의 마스크 오염 사고로 수십, 수백 장에 이르는 웨이퍼 손실과 라인 정지에 준하는 생산 차질이 발생했다.

재료비 손실뿐 아니라, 라인 가동률 하락, 납기 지연, 고객사 신뢰도 저하까지 이어질 수 있는 심각한 사고로 평가되었다.

6. 재발 방지 대책: 무엇이 바뀌었는가

사고 이후, 공정 라인에서는 마스크 관리 체계를 전면적으로 손보는 계기가 되었다. 가장 먼저 마스크 검사 주기가 강화되었다. 기존에는 초기 투입 시, 정기 점검 시 위주로 검사했다면, 사고 이후에는 사용 횟수, 노광 시간, 수율 모니터링 결과와 연동하여 보다 촘촘한 검사 체계가 도입되었다.

또한, 마스크를 세정한 후 재투입하기 전에 고해상도 검사 장비를 통한 검증 공정이 추가되었다. 이 과정에서 포토 엔지니어와 장비 엔지니어가 함께 마스크 상태를 리뷰하고, 기준치 이상의 오염이나 스크래치가 발견되면 즉시 폐기 또는 재세정을 진행하도록 절차가 변경되었다.

마스크 취급 교육도 강화되었다. 작업자가 마스크를 핸들링할 때 사용할 수 있는 도구, 접촉 가능한 면, 보관 각도, 보관 환경 등의 세부 가이드라인이 문서화되었고, 신규 인력뿐 아니라 기존 인력 대상 교육도 정기적으로 시행되었다.

7. 기술적으로 이 사고가 주는 시사점

이번 사고 사례가 주는 가장 큰 메시지는, 포토 공정에서의 마스크는 단순한 소모품이 아니라 공정 품질을 좌우하는 핵심 자산이라는 점이다. 미세공정으로 갈수록 노광 장비의 해상도가 높아지고, 웨이퍼 선폭은 줄어든다. 그만큼 마스크의 미세한 결함과 오염도 실제 패턴 불량으로 직접 연결될 가능성이 커진다.

또한, 포토 공정에서의 품질 문제는 뒤 단계에서야 발견되기 때문에, 이미 투입된 재공정 비용과 시간을 생각하면 초기 예방과 모니터링의 가치가 훨씬 크다. 공정기술 측면에서는 마스크 관리 체계를 공정 전체의 수율 관리 시스템 안에 포함시키고, 수율 이상 징후가 감지되면 포토·마스크·클린 환경을 동시에 검토하는 프로세스가 필수적이다.

8. 정리: 마스크 한 장이 라인 전체를 멈출 수 있다

포토 공정 마스크 오염 사고는 겉으로 보기에는 단순한 관리 실수처럼 보일 수 있다. 그러나 실제로는 공정 조건, 장비 관리, 클린룸 환경, 작업자 교육, 검사 체계 등 여러 요소가 겹쳐진 결과다. 특히 미세 공정으로 갈수록 마스크의 역할은 더 중요해지고, 작은 결함 하나가 웨이퍼 수십 장, 수억원 규모의 손실로 이어질 수 있다.

이번 사례는 반도체 제조에서 “작아 보이는 요소”를 절대 가볍게 볼 수 없다는 사실을 잘 보여준다. 빛으로 회로를 새기는 포토 공정에서, 그 빛이 통과하는 마스크 한 장이 라인의 운명을 좌우할 수 있다. 다음 글에서는 포토 공정과 더불어 또 하나의 사고 다발 구간인 증착·식각 공정에서의 파티클 유입 사고 사례를 살펴보며, 장비 내부 오염이 수율에 미치는 영향을 다뤄본다.