안녕하세요^^ 베네모아 입니다. 오늘은 반도체 오버레이(OVERLAY) 정의 및 ASML 포토 설비와의 관계에 대해 간단히 정리해보려고 합니다.

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오버레이(Overlay) 정의 및 영향을 주는 8가지 요소

반도체는 수십억 개의 트랜지스터와 배선이 겹겹이 쌓여 만들어집니다. 이때 중요한 것이 바로 Overlay(오버레이), 즉 각 레이어가 서로 얼마나 정확히 맞춰지는가입니다. 아무리 한 층을 잘 만들어도, 그 위에 쌓이는 층이 조금이라도 어긋나면 전기가 흐르지 않거나 회로가 단락되는 문제가 생기죠. 따라서 Overlay는 반도체 수율과 직결되는 핵심 품질 지표라고 할 수 있습니다.

그렇다면 Overlay는 어떤 요인들에 의해 영향을 받을까요? 실제 노광 장비와 웨이퍼 환경을 고려했을 때, 대표적으로 8가지 요소가 큰 영향을 줍니다.

1. Grid Map (스테이지 좌표 정확도)

웨이퍼는 스캐너 장비 안에서 ‘스테이지’라는 정밀한 판 위에 놓여 움직입니다. 이 스테이지가 정확히 어디에 있는지를 계측하는 것이 Overlay의 기준축이 되는데, 만약 좌표가 조금이라도 찌그러지면 전체 패턴이 틀어집니다. 이를 보정하기 위해 HODC(High Order Distortion Correction) 같은 고차 왜곡 보정 기능이 사용됩니다. 쉽게 말해, 지도가 살짝 늘어나거나 찌그러져 있으면 좌표가 맞지 않는 것과 같은 원리입니다.

설명: 웨이퍼가 스테이지 위에서 이동할 때, 위치를 얼마나 정확히 측정하느냐가 기본 축이 됩니다.
문제점: 스테이지 좌표계와 실제 웨이퍼 좌표계가 딱 맞지 않으면, 패턴 정렬 자체가 틀어질 수 있습니다.
보정 방법: 장비 내부에서는 HODC(High Order Distortion Correction) 같은 기술로 그리드 왜곡을 보정합니다.

👉 쉽게 말하면, 지도를 펼쳐놓고 좌표를 찍을 때, 지도 자체가 살짝 늘어나거나 찌그러져 있으면 좌표 정렬이 어긋나는 현상이라고 생각하면 됩니다.

2. Dynamic Error (스테이지 다이나믹 제어)

노광 장비는 ‘Step & Scan’ 방식으로 웨이퍼를 빠른 속도로 움직이며 노광합니다. 이 과정에서 스테이지 제어가 실시간으로 이뤄지는데, 고속 이동 중에 미세한 흔들림이나 지연이 발생하면 작은 오차가 누적되어 Overlay 불량을 만듭니다. 마치 자동차가 고속도로를 달릴 때 핸들을 조금만 틀어도 차가 옆으로 밀려나는 것과 비슷한 현상입니다.

설명: 노광 장비는 웨이퍼를 빠른 속도로 Step & Scan 방식으로 노광합니다. 이때 실시간 위치 제어가 아주 중요합니다.
문제점: 고속 이동 중 약간의 흔들림이나 지연이 생기면, 작은 오차가 누적되어 Overlay 불량이 발생합니다.
예시: 차를 고속도로에서 달릴 때 핸들을 조금만 틀어도 차가 옆으로 밀려나듯이, 스캐너도 고속 주행(?) 중 제어 오차가 곧 Overlay 누적 오차로 이어집니다.

3. Lens Heating (렌즈 열변형)

렌즈는 빛을 계속 받다 보면 조금씩 열을 받아 변형됩니다. 아주 미세한 변화이지만, 웨이퍼 위 패턴 위치가 체계적으로 이동하는 Systematic error를 만듭니다. 예를 들어 안경에 뜨거운 김이 서리면 물체가 왜곡되어 보이는 것처럼, 노광 렌즈도 열에 의해 살짝 변형되면서 Overlay가 틀어집니다.

설명: 렌즈에 빛을 오래 쏘면 미세하게 열이 발생해 렌즈 모양이 바뀌고, 이로 인해 패턴 위치가 살짝 이동합니다.
문제점: 특정 구역이 체계적으로 밀려나거나 당겨지는 Systematic error 발생.
예시: 안경에 뜨거운 김이 서리면 물체가 살짝 뒤틀려 보이는 것처럼, 렌즈가 열에 의해 변형되면 Overlay가 틀어집니다.

4. Optical Distortion (광학 왜곡)

렌즈의 고유한 특성, 즉 수차(aberration) 때문에 빛이 완벽히 직선으로 진행하지 않고 약간 휘어집니다. 이로 인해 웨이퍼 전체 패턴이 미세하게 뒤틀리거나 늘어나며 Overlay mismatch가 생깁니다. 장비에서 보정을 해주지만, Residual error(잔여 오차)는 완전히 없애기 어렵습니다.

설명: 렌즈 자체의 고유 특성(구면수차, 비점수차 등)으로 인한 왜곡.
문제점: 웨이퍼 전반적으로 패턴이 미세하게 휘어지거나 늘어나서 Overlay 불일치가 생깁니다.
특징: Grid 보정을 해도 residual error(잔여 오차)는 남습니다.

5. Illumination / Reticle Heating

레티클(마스크)에 강한 빛이 닿으면 마스크 자체가 열을 받아 미세하게 변형됩니다. 그 결과 패턴이 살짝 밀리면서 Overlay shift가 발생합니다. 또한 조명(illumination) 조건은 직접적으로 Overlay를 크게 바꾸진 않지만, **정렬 마크의 대비(contrast)**에 영향을 줘서 센서가 잘못 읽게 만들 수 있습니다. 종이에 손전등을 오래 비췄을 때 종이가 변형되는 것과 유사한 현상입니다.

설명: 레티클(마스크)에 빛이 오래 닿으면 레티클이 살짝 휘면서 패턴 위치가 이동합니다.
추가 요인:
- Illumination(조명 설정)이 직접적으로 Overlay에 큰 영향을 주진 않지만, alignment sensor가 마크를 읽을 때 contrast에 영향을 줘서 간접적으로 Overlay error를 유발할 수 있습니다.
예시: 종이에 손전등을 오래 비추면 종이가 조금 변형되는 것처럼, 레티클도 빛과 열 때문에 휘어집니다.

6. Alignment Sensor Accuracy

Overlay의 기본은 ‘마크를 얼마나 정확히 인식하느냐’입니다. 웨이퍼 표면의 정렬 마크를 카메라 센서가 읽어 들이는데, 마크가 손상되거나 PR(포토레지스트)로 덮여 있다면 오인식이 발생해 직접적인 Overlay error로 이어집니다. 이는 내비게이션이 GPS 신호를 잘못 잡아 길 안내가 틀리는 상황과 비슷합니다.

설명: Overlay의 기본은 ‘마크를 얼마나 정확히 인식하느냐’입니다.
문제점: 마크가 손상되거나 PR(포토레지스트)이 덮여 있으면 센서가 제대로 읽지 못해 직접적인 Overlay error 발생.
예시: 내비게이션이 GPS 신호를 잘못 잡으면 길 안내가 틀리는 것과 같은 상황입니다.

7. Wafer Topography & Warp (웨이퍼 요철 및 휨)

웨이퍼 표면은 항상 완벽히 평평하지 않습니다. 열이나 필름 스트레스 때문에 휘어지거나 Z축 높이와 기울기(Tilt)에 오차가 생기기도 합니다. 이런 상태에서 패턴을 덮으면 위치 불일치가 발생합니다. 울퉁불퉁한 종이에 자를 대고 직선을 긋는다고 생각하면 이해하기 쉽습니다.

설명: 웨이퍼 표면이 완벽히 평평하지 않고, 필름 스트레스나 열로 인해 휘어지거나 Z축/Tilt 오차가 생길 수 있습니다.
문제점: 평평하지 않은 곳에 패턴을 덮으면 Overlay mismatch 발생.
예시: 울퉁불퉁한 종이에 자를 대고 직선을 긋는다고 생각해보면, 직선이 울퉁불퉁하게 그려집니다.

8. Environmental Drift (환경 요인)

아무리 장비가 정밀해도 주변 환경 변화는 피하기 어렵습니다. 스테이지 미러나 간섭계가 온도 변화에 민감하게 반응하고, 클린룸의 미세한 진동이나 공기 흐름도 Overlay 정확도에 영향을 줍니다. 이로 인해 nm(나노미터) 단위의 오차가 발생할 수 있습니다. 결국 장비 내부 제어뿐 아니라, 외부 환경 관리도 Overlay 정확도 확보에 중요한 요소입니다.

설명: 장비가 아무리 정밀해도, 시간이 지나면서 환경 변화에 따라 overlay shift가 발생합니다.
영향 요인:
- Stage mirror, interferometer의 온도 변화
- 클린룸의 미세한 진동, 공기 흐름
결과: nm 단위의 overlay shift 발생.

👉 즉, 장비 자체의 한계뿐만 아니라 ‘실험실 환경’까지 overlay 정확도에 영향을 미친다는 점이 중요합니다.

✅ 결론

Overlay 정확도를 결정짓는 요인은 장비 자체의 좌표 정밀도, 스캐닝 제어, 광학계 특성뿐만 아니라 웨이퍼 물성, 정렬 마크 인식, 그리고 외부 환경까지 다양합니다. 특히 미세 공정으로 갈수록 nm 단위의 작은 오차도 치명적이기 때문에, Overlay 제어는 반도체 제조의 가장 어려운 과제 중 하나로 꼽힙니다.