건물을 지을 때 줄자 없이 눈대중으로만 세운다면 어떻게 될까요.
기둥 하나가 몇 밀리미터만 틀어져도, 층이 쌓일수록 그 오차는 걷잡을 수 없이 커집니다. 결국 무너지는 건 가장 마지막 층이 아니라 처음부터 잘못 잰 그 지점입니다.
반도체도 마찬가지입니다. 회로를 새기고, 깎고, 쌓아 올리는 것만큼이나 중요한 과정이 하나 더 있습니다. 지금 이 공정이 정확히 원하는 두께로, 정확히 원하는 위치에 만들어졌는지 ‘측정’하는 일입니다. 이것이 바로 계측공정, Metrology입니다.
테스트공정이 완성된 칩의 작동 여부를 확인하는 마지막 관문이었다면, 계측은 그보다 훨씬 앞선 단계에서 매 순간 숫자로 답을 요구하는 과정입니다. 오늘은 이 계측공정이 무엇이고, 왜 AI 반도체 시대에 그 중요성이 커지고 있는지 살펴보겠습니다.
1. 📏 계측공정(Metrology)이란?
계측공정은 반도체가 만들어지는 매 단계마다 그 결과물이 설계값과 얼마나 정확히 일치하는지 숫자로 측정하는 과정입니다. 대표적으로 확인하는 항목은 크게 네 가지입니다.
먼저 CD(Critical Dimension), 즉 회로 선폭입니다. 나노미터 단위로 설계된 패턴이 실제로 그 두께대로 새겨졌는지 확인합니다. 다음은 박막 두께로, 증착 공정에서 쌓아 올린 막이 원하는 두께만큼 형성됐는지를 봅니다.
세 번째는 Overlay, 상하부 패턴 간의 정렬 상태입니다. 여러 층의 회로가 정확히 겹쳐져야 하는데, 이 정렬이 어긋나면 전체 소자가 오작동할 수 있습니다. 마지막은 평탄도로, 웨이퍼 표면이 고르게 유지됐는지를 확인합니다. 이 네 가지 수치가 조금이라도 오차 범위를 벗어나면, 그 지점에서부터 공정 오류가 누적되기 시작합니다.
2. 🔍 검사(Inspection)와 계측(Metrology)의 차이
비슷해 보이지만 검사와 계측은 목적 자체가 다릅니다. Inspection은 ‘불량이 있는가’를 찾는 과정입니다. 표면에 흠집이 있는지, 이물질이 묻어 있는지, 패턴이 끊어졌는지처럼 ‘있다/없다’를 판별합니다.
반면 Metrology는 ‘얼마나 정확한가’를 숫자로 측정하는 과정입니다. 흠집이 있는지 없는지가 아니라, 박막 두께가 정확히 12nm인지, 11.8nm인지, 12.3nm인지를 재는 일입니다. 하나는 예/아니오로 답하고, 다른 하나는 수치로 답한다는 점이 가장 큰 차이입니다.
실제 현장에서는 이 두 공정이 함께 맞물려 돌아갑니다. 계측으로 수치를 측정하고, 그 수치가 기준을 벗어나면 검사를 통해 실제 불량 여부를 다시 확인하는 식입니다.
3. ⚡ 왜 AI 반도체 시대에 계측이 중요해졌을까?
2나노, GAA(Gate-All-Around) 같은 최첨단 공정으로 갈수록, 그리고 HBM처럼 여러 층을 쌓아 올리는 구조가 늘어날수록 허용되는 오차 범위는 계속 좁아지고 있습니다. 과거 공정에서는 크게 문제 되지 않던 미세한 오차가, 지금의 초미세 공정에서는 곧바로 수율 저하로 이어질 수 있습니다.
특히 HBM처럼 D램을 여러 층 쌓아 올리는 구조에서는 각 층의 정렬과 두께가 조금씩만 어긋나도 그 오차가 위층으로 갈수록 누적됩니다. 미세공정 경쟁이 심화되면서 계측 기술의 중요성도 함께 커지고 있는 흐름입니다. 잘 만드는 기술만큼, 얼마나 정밀하게 측정하는 기술을 갖췄는지가 수율 경쟁의 핵심 변수로 떠오르고 있는 셈입니다.
4. 🔧 주요 계측 장비
계측공정에는 목적에 따라 다양한 장비가 사용됩니다. CD-SEM은 전자빔을 이용해 회로 선폭을 나노미터 단위로 측정하는 장비이며, Optical Metrology는 빛을 이용해 비파괴 방식으로 패턴과 두께를 측정합니다.
Overlay 장비는 상하부 패턴의 정렬 상태를 정밀하게 측정하는 장비로, 반도체 소자의 수율과 직결되는 핵심 계측 영역으로 꼽힙니다. Film Thickness 장비는 증착된 박막의 두께를 옹스트롬 단위까지 측정하며, Defect Review는 검사 장비가 찾아낸 결함을 더 정밀하게 재확인하는 역할을 합니다.
5. 🏭 관련 기업
국내에서는 몇몇 기업이 계측·검사 분야에서 독자적인 영역을 구축하고 있는 것으로 알려져 있습니다.
오로스테크놀로지는 국내에서 오버레이 계측장비를 국산화해 양산까지 성공한 기업으로 알려져 있으며, 최근에는 박막 두께를 측정하는 Thin Film Metrology 장비로 제품군을 넓히고 있는 것으로 전해집니다. HBM 후공정용 계측장비 수요 확대도 기대 요인으로 거론됩니다.
넥스틴은 반도체 전공정용 웨이퍼 검사 장비를 국산화한 기업으로, 스스로를 ‘Metrology & Inspection’ 전문기업으로 소개하고 있으며 고대역폭메모리 관련 검사 장비 기술력을 바탕으로 사업을 확장하고 있는 것으로 알려져 있습니다.
코셈은 주사전자현미경(SEM) 국산화를 이끈 기업으로, 최근에는 대기압 상태에서도 관찰이 가능한 SEM 기술을 개발한 것으로 전해지며, 향후 반도체 분석 및 검사 영역에서의 활용 가능성이 거론되고 있습니다.
해외에서는 미국의 KLA가 반도체 계측·검사 분야의 대표적인 글로벌 기업으로 꼽히며, Applied Materials도 일부 계측 솔루션을 보유하고 있습니다. ASML 역시 자회사 HMI(Hermes Microvision)를 통해 계측·검사 장비 시장에 참여하고 있는 것으로 알려져 있습니다.
6. 📈 투자 포인트
계측 관련 기업을 볼 때 참고할 만한 흐름은 크게 세 가지입니다. 첫째, 공정이 미세화될수록 계측 수요는 구조적으로 늘어날 수밖에 없습니다. 둘째, HBM 생산이 확대되면 검사와 계측 두 영역이 동시에 성장할 가능성이 있습니다. 셋째, AI 반도체향 설비투자(CAPEX)가 늘어날 때 가장 먼저, 그리고 가장 조용히 수혜를 보는 영역이 계측·검사 장비인 경우가 많습니다.
다만 계측장비 기업들은 소수의 대형 고객사(삼성전자, SK하이닉스 등)에 대한 매출 의존도가 높은 경우가 많아, 고객사의 설비투자 시점과 규모에 실적이 크게 좌우될 수 있다는 점은 균형 있게 봐야 할 부분입니다.
🚀 진스브리프 한 줄 요약: 좋은 반도체는 잘 만드는 것이 아니라, 정확하게 측정하는 것에서 완성됩니다.
같이 보면 좋은 글
반도체 공정의 전체 흐름은 「JBA 반도체 시리즈 전체 보기」에서 이어서 확인하실 수 있습니다.
본 콘텐츠는 투자 참고 자료이며 특정 종목에 대한 매수·매도 추천이 아닙니다. 투자 판단과 그 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다.
답글 남기기