KLA는 어떻게 반도체 불량을 찾아내는 ‘눈’이 되었을까?

반도체 산업을 움직이는 글로벌 기업 ⑳

KLA 검사·계측·수율을 지배하는 반도체 장비 기술

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들어가며 – 반도체는 만드는 것만큼 ‘검사’가 중요하다

16강부터 19강까지 우리는 반도체 제조장비 산업의 핵심 기업들을 살펴봤다.

Applied Materials는 증착과 식각, CMP 등 다양한 공정장비를 제공하고,

Lam Research는 식각과 증착 분야에서 강력한 기술력을 가지고 있다.

Tokyo Electron은 증착·식각·세정·코터/디벨로퍼 등 다양한 전공정 장비를 공급한다.

그리고 ASML은 EUV 노광장비를 통해 최첨단 반도체 회로를 웨이퍼에 형성하는 데 핵심적인 역할을 한다.

그런데 한 가지 중요한 질문이 남는다.

“이렇게 복잡한 공정을 거쳐 만들어진 반도체가 제대로 만들어졌는지는 어떻게 확인할까?”

바로 이 질문에 답하는 기업이 KLA다.

반도체 제조에서는 아주 작은 먼지 하나, 미세한 패턴의 변형, 막 두께의 차이도 불량으로 이어질 수 있다.

특히 반도체가 3나노, 2나노 등 더욱 미세한 공정으로 발전할수록 눈에 보이지 않는 결함을 찾아내는 것이 중요해진다.

따라서 현대 반도체 공장에는 단순히 반도체를 만드는 장비뿐 아니라 결함을 찾아내고 공정을 측정하며 수율을 높이는 장비가 필요하다.

KLA는 바로 이 검사·계측·공정제어(Process Control) 분야에서 세계적인 경쟁력을 가진 기업이다.

이번 20강에서는 KLA가 어떤 회사인지, 검사와 계측은 무엇인지, 왜 HBM과 GAA, 3D NAND 같은 첨단 반도체에서 KLA의 기술이 중요한지 살펴보겠다.

KLA는 어떤 회사인가?

KLA는 미국의 대표적인 반도체 검사 및 공정제어 장비기업이다.

KLA의 핵심 사업은 반도체 제조과정에서 발생하는 결함을 찾아내고 공정 상태를 측정하는 것이다.

주요 기술 분야를 정리하면 다음과 같다.

• 웨이퍼 검사
• 패턴 결함 검사
• 계측
• 공정제어
• 결함 분석
• 수율 관리
• 데이터 분석
• 반도체 제조공정 모니터링

쉽게 비유하면,

ASML

→ 회로를 그리는 장비

Applied Materials

→ 물질을 쌓고 가공하는 장비

Lam Research

→ 물질을 정밀하게 제거하는 장비

KLA

→ 제대로 만들어졌는지 확인하는 장비

라고 이해하면 쉽다.

물론 실제 반도체 제조공정은 훨씬 복잡하지만 KLA의 역할을 이해하기에는 좋은 비교다.

반도체 검사장비가 필요한 이유

반도체 제조는 수백 개의 공정을 거쳐 진행된다.

한 공정에서 작은 문제가 발생하면 이후 공정까지 영향을 줄 수 있다.

예를 들어,

증착 두께 이상

↓

패턴 형성 문제

↓

식각 오류

↓

배선 불량

↓

최종 칩 불량

으로 이어질 수 있다.

문제는 반도체가 너무 작기 때문에 사람의 눈으로 확인할 수 없다는 것이다.

따라서 제조장비와 함께 고도의 검사·계측 장비가 필요하다.

계측(Metrology)이란 무엇인가?

반도체 산업에서 계측(Metrology)은 매우 중요한 개념이다.

쉽게 말하면,

반도체가 설계된 크기와 모양대로 만들어졌는지 측정하는 기술

이다.

예를 들어,

• 선폭은 정확한가?
• 막의 두께는 일정한가?
• 패턴의 위치가 정확한가?
• 구조의 높이는 적절한가?
• 식각 깊이는 정확한가?

등을 측정한다.

반도체가 미세해질수록 이러한 측정의 중요성이 더욱 높아진다.

검사와 계측은 무엇이 다를까?

두 기술은 비슷해 보이지만 목적이 조금 다르다.

검사(Inspection)

웨이퍼에서 결함이 발생했는지 찾아내는 것이다.

예를 들어,

먼지

스크래치

패턴 결함

입자

등을 찾아낼 수 있다.

계측(Metrology)

반도체 구조의 크기와 물리적 특성을 측정하는 것이다.

예를 들어,

선폭

막 두께

패턴 위치

구조 높이

등을 측정한다.

둘은 서로 다른 역할을 하지만 실제 제조공정에서는 서로 긴밀하게 연결된다.

왜 작은 먼지 하나가 문제가 될까?

반도체는 매우 작은 구조로 이루어져 있다.

따라서 일반적인 제조환경에서는 별것 아닌 것처럼 보이는 작은 입자도 반도체에서는 큰 문제가 될 수 있다.

예를 들어 웨이퍼에 작은 입자가 붙으면 그 주변에 패턴이 제대로 형성되지 않을 수 있다.

결국 하나의 결함이 칩 하나의 불량으로 이어질 수도 있다.

반도체 생산에서는 이런 결함을 최대한 빨리 찾아내는 것이 중요하다.

수율(Yield)이란 무엇인가?

KLA를 이해하려면 수율을 반드시 알아야 한다.

수율은 쉽게 말하면,

생산된 반도체 가운데 정상적으로 사용할 수 있는 제품의 비율

이다.

예를 들어 웨이퍼 하나에서 1,000개의 칩이 만들어지고 그중 950개가 정상이라면 단순화해서 95% 수준의 수율이라고 생각할 수 있다.

수율이 높을수록 같은 웨이퍼에서 더 많은 정상 칩을 얻을 수 있다.

반대로 수율이 낮으면 생산비용이 증가한다.

따라서 반도체 제조기업에게 수율은 매우 중요한 경제적 지표다.

수율을 높이는 것이 왜 어려울까?

반도체가 미세해질수록 제조공정은 복잡해진다.

공정 수가 증가하고 새로운 재료가 사용되며 3차원 구조도 늘어난다.

그러면 결함이 발생할 수 있는 지점도 많아진다.

예를 들어,

노광

↓

증착

↓

식각

↓

세정

↓

이온주입

↓

CMP

등 수많은 공정을 거쳐야 한다.

각 단계에서 문제가 발생하지 않아야 최종적으로 높은 수율을 확보할 수 있다.

따라서 제조공정 중간중간에 결함을 확인하고 데이터를 분석하는 것이 중요하다.

KLA의 핵심 – 공정제어(Process Control)

KLA를 단순한 검사장비 회사로 생각하면 부족하다.

KLA가 중요한 이유는 공정제어(Process Control)와 연결되어 있기 때문이다.

단순히,

“불량이 발생했다.”

라고 알려주는 것만으로는 충분하지 않다.

더 중요한 것은,

“왜 불량이 발생했는가?”

를 알아내는 것이다.

예를 들어 특정 공정에서 결함이 갑자기 증가했다면,

• 장비 조건이 변했는지
• 온도가 변했는지
• 가스 조건이 변했는지
• 막 두께가 변했는지
• 패턴이 틀어졌는지

등을 분석해야 한다.

이러한 데이터를 바탕으로 제조공정을 조정할 수 있다.

검사 → 데이터 → 공정 개선

KLA의 역할을 단순하게 표현하면 다음과 같다.

검사

↓

결함 발견

↓

데이터 분석

↓

원인 파악

↓

공정 조정

↓

수율 개선

이러한 순환구조가 현대 반도체 제조에서 매우 중요하다.

따라서 KLA는 단순한 검사장비 기업이라기보다 반도체 제조공정의 데이터를 통해 생산성을 높이는 기업으로 볼 수 있다.

AI 반도체에서는 왜 검사기술이 더 중요할까?

AI 반도체는 일반적인 반도체보다 고성능과 높은 신뢰성이 요구되는 경우가 많다.

GPU와 AI 가속기는 매우 복잡한 구조를 가지고 있고 제조비용도 높다.

따라서 불량이 발생하면 손실이 커질 수 있다.

또한 AI 반도체에는 HBM 같은 고성능 메모리가 함께 사용된다.

따라서,

GPU

HBM

첨단 패키징

전체의 품질을 관리하는 것이 중요하다.

AI 산업이 성장할수록 반도체 제조기업이 높은 수율을 확보해야 하는 이유다.

HBM에서 KLA의 역할이 중요한 이유

HBM은 여러 개의 DRAM 다이를 수직으로 적층한다.

따라서 일반적인 메모리 제조보다 공정이 복잡하다.

HBM에서는,

• DRAM 제조
• 웨이퍼 가공
• TSV
• 적층
• 접합
• 패키징
• 검사

등 다양한 기술이 필요하다.

특히 여러 개의 다이를 쌓는 구조에서는 각각의 칩이 제대로 만들어졌는지 확인하는 것이 중요하다.

한 개의 결함이 전체 적층 제품의 품질에 영향을 줄 수 있기 때문이다.

따라서 HBM 생산이 증가하면 검사와 계측의 중요성도 함께 높아질 가능성이 있다.

3D NAND에서도 검사와 계측이 중요하다

3D NAND는 수직으로 수많은 층을 쌓는 구조다.

층수가 높아질수록 제조공정도 복잡해진다.

특히,

증착

식각

세정

과정이 반복된다.

이때 각 층의 두께가 균일한지, 식각이 정확하게 이루어졌는지, 결함이 발생하지 않았는지 확인해야 한다.

따라서 3D NAND의 고층화는 단순히 식각과 증착 장비의 기술만 필요한 것이 아니다.

정밀한 검사와 계측 기술도 함께 발전해야 한다.

GAA에서는 왜 계측이 중요할까?

GAA는 차세대 트랜지스터 구조다.

트랜지스터가 더욱 복잡한 3차원 구조로 변화하면서 제조과정에서 측정해야 하는 항목도 늘어난다.

예를 들어,

• 채널 크기
• 게이트 구조
• 막 두께
• 패턴 위치
• 식각 깊이
• 구조 균일성

등을 정확하게 확인해야 한다.

따라서 GAA가 확대될수록 계측기술의 중요성도 커질 가능성이 있다.

KLA의 경쟁력 – ‘결함을 발견하는 능력’

반도체 검사에서 가장 어려운 문제 가운데 하나는 아주 작은 결함을 찾아내는 것이다.

반도체 패턴 자체가 매우 작기 때문에 검사장비 역시 높은 해상도와 정밀도를 가져야 한다.

하지만 단순히 작은 결함을 발견하는 것만으로 끝나지 않는다.

수많은 정상 패턴 사이에서 실제 문제가 되는 결함을 구분해야 한다.

따라서 검사장비에는,

광학 기술

전자빔 기술

이미지 처리

데이터 분석

소프트웨어

등 다양한 기술이 필요하다.

광학검사와 전자빔 검사

반도체 검사에서는 여러 가지 기술이 사용된다.

광학검사

빛을 이용해 웨이퍼의 패턴과 결함을 검사한다.

빠르게 넓은 영역을 검사하는 데 장점이 있다.

전자빔 검사

전자빔을 이용해 매우 미세한 구조를 관찰한다.

광학 방식보다 높은 해상도가 필요한 분석에 활용될 수 있다.

각 방식에는 장단점이 있기 때문에 반도체 제조라인에서는 목적에 맞는 다양한 검사기술이 사용된다.

KLA의 기술적 진입장벽

KLA가 오랫동안 반도체 검사시장에 자리 잡을 수 있었던 이유는 단순히 검사장비를 만드는 능력 때문만은 아니다.

핵심은 반도체 공정과 결함 데이터를 이해하는 능력이다.

반도체 제조기업의 생산라인에는 엄청난 양의 데이터가 발생한다.

이 데이터를 분석해,

어떤 결함이 발생했는가?

어느 공정에서 발생했는가?

결함의 원인은 무엇인가?

어떻게 수율을 개선할 수 있는가?

를 판단하는 것이 중요하다.

따라서 장비 하드웨어뿐 아니라 소프트웨어와 데이터 분석 역량도 중요한 경쟁력이다.

KLA의 특허와 기술력

KLA는 반도체 검사와 계측, 공정제어 분야에서 오랜 기간 기술을 축적해 왔다.

주요 기술 영역을 정리하면,

• 결함 검출
• 웨이퍼 검사
• 광학 검사
• 전자빔 검사
• 계측
• 데이터 분석
• 공정제어
• 수율 관리

등이다.

특허 역시 중요한 기술자산이다.

하지만 KLA의 진입장벽을 특허만으로 설명하기는 어렵다.

실제 생산라인에서 축적된 검사 데이터와 장비 성능, 알고리즘, 고객사와의 협력 경험이 함께 중요한 역할을 한다.

반도체 검사장비는 왜 쉽게 교체하기 어려울까?

반도체 제조기업이 검사장비를 바꾸는 것은 단순히 장비 하나를 교체하는 문제가 아니다.

새로운 장비를 도입하면,

장비 성능 검증

↓

생산라인 적용

↓

검사 데이터 비교

↓

공정 최적화

↓

수율 검증

등의 과정이 필요하다.

따라서 생산라인에서 오랫동안 검증된 장비를 사용하는 것이 중요할 수 있다.

이러한 구조는 검사장비기업의 기술적 진입장벽을 높이는 요인이 된다.

KLA와 Applied Materials는 무엇이 다를까?

두 기업 모두 반도체 제조공정과 관련된 장비를 공급하지만 핵심 영역이 다르다.

기업	주요 분야	핵심 역할
ASML	노광	미세 회로 패턴 형성
Applied Materials	증착·식각·CMP 등	물질 형성 및 가공
Lam Research	식각·증착·세정	미세 구조 가공
Tokyo Electron	증착·식각·세정·코터/디벨로퍼	다양한 전공정
KLA	검사·계측·공정제어	결함 발견 및 공정 최적화

이 표를 보면 KLA가 조금 다른 위치에 있다는 것을 알 수 있다.

KLA는 반도체를 만드는 과정에서 “잘 만들어지고 있는지 확인하는 역할”을 담당한다.

KLA와 반도체 제조사의 관계

KLA의 고객은 주요 반도체 제조기업이다.

예를 들어 메모리 기업과 파운드리 기업이 새로운 공정을 개발할 때 검사와 계측 장비가 필요하다.

새로운 공정을 도입했는데 수율이 낮다면 원인을 찾아야 한다.

이때 검사 데이터를 통해 어떤 단계에서 결함이 증가했는지 확인할 수 있다.

따라서 KLA의 장비는 단순히 생산 후 검사하는 장비가 아니라 생산공정 자체를 개선하는 데 활용되는 장비라고 볼 수 있다.

AI 시대에는 ‘검사 데이터’의 가치도 높아진다

AI 반도체 제조가 복잡해질수록 생산공정에서 발생하는 데이터도 증가한다.

이 데이터를 분석하면 공정 이상을 빠르게 발견하고 수율을 개선할 수 있다.

여기에 AI와 머신러닝 기술까지 결합하면,

검사

→ 데이터 수집

→ 패턴 분석

→ 이상 감지

→ 공정 최적화

라는 자동화된 구조를 구축할 가능성이 있다.

따라서 미래의 반도체 검사장비는 단순한 카메라나 측정기가 아니라 하드웨어 + 센서 + 소프트웨어 + AI 분석 시스템으로 발전할 가능성이 있다.

KLA의 미래 성장 분야

앞으로 KLA에서 주목할 수 있는 분야는 다음과 같다.

첨단 로직 반도체

2나노 이하의 미세공정이 발전할수록 정밀 계측과 결함 검사의 중요성이 높아질 수 있다.

GAA

3차원 트랜지스터 구조를 정확하게 측정하고 검사해야 한다.

HBM

고성능 메모리의 생산량 증가와 함께 웨이퍼 및 패키징 검사 수요가 커질 수 있다.

3D NAND

층수가 증가할수록 수직 구조의 균일성과 결함 검사가 중요해진다.

첨단 패키징

Chiplet과 2.5D·3D 패키징이 확대되면 다이와 인터커넥트의 검사 및 계측 중요성이 증가할 수 있다.

KLA가 해결해야 할 과제

KLA에도 여러 과제가 있다.

첫 번째는 반도체 업황이다.

반도체 제조기업의 설비투자가 감소하면 검사·계측 장비 수요도 영향을 받을 수 있다.

두 번째는 기술 난이도의 증가다.

반도체가 미세해질수록 결함을 발견하기가 더 어려워진다.

세 번째는 경쟁이다.

Applied Materials, ASML, Hitachi High-Tech 등 다양한 기업이 계측·검사 분야에서 경쟁하고 있다.

네 번째는 데이터 처리량이다.

첨단 반도체 생산에서는 엄청난 양의 검사 데이터를 빠르게 처리해야 한다.

따라서 검사 속도와 정확도를 동시에 높이는 것이 중요한 과제다.

마무리 – KLA는 반도체 공장의 ‘눈’이다

KLA를 이해하면 반도체 제조에서 검사와 계측이 얼마나 중요한지 알 수 있다.

반도체 제조는 단순히 웨이퍼 위에 회로를 만들어내는 것으로 끝나지 않는다.

중요한 것은 정확하게 만들어졌는지 확인하는 것이다.

ASML이 빛을 이용해 회로 패턴을 만들고,

Applied Materials와 Lam Research, Tokyo Electron이 물질을 쌓고 깎는 공정을 담당한다면,

KLA는 그 과정에서 발생하는 결함을 찾아내고 공정 상태를 측정한다.

특히 반도체가 미세해질수록 작은 결함 하나의 영향이 커질 수 있다.

따라서,

더 미세한 반도체

↓

더 복잡한 제조공정

↓

더 많은 결함 가능성

↓

더 정밀한 검사·계측 필요

라는 구조가 만들어진다.

HBM 역시 마찬가지다.

여러 개의 메모리 다이를 쌓는 과정에서 각 단계의 품질을 정확하게 관리해야 한다.

3D NAND에서는 수백 개의 층과 깊은 구조를 정확하게 형성해야 한다.

GAA에서는 복잡한 3차원 트랜지스터 구조의 크기와 균일성을 측정해야 한다.

이러한 모든 과정에서 검사와 계측의 중요성이 높아진다.

KLA의 진짜 경쟁력은 단순히 “불량을 찾는 장비”에 있지 않다.

더 중요한 것은,

결함을 발견하고

데이터를 분석하고

공정의 원인을 찾아내고

수율을 높이는 것

이다.

따라서 KLA를 한 문장으로 표현하면,

KLA는 반도체 제조공정에서 발생하는 미세한 결함을 찾아내고 공정을 측정·분석해 반도체 제조기업의 수율 향상을 돕는 검사·계측 기술기업이다.

반도체 산업이 AI를 중심으로 더욱 고도화될수록 단순히 “더 빠른 칩”을 만드는 것만큼 “더 높은 수율로 정확하게 만드는 것”이 중요해질 것이다.

그리고 그 과정에서 KLA와 같은 검사·계측 기업의 역할은 더욱 중요해질 가능성이 있다.

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핵심 정리

• KLA는 미국의 대표적인 반도체 검사·계측·공정제어 기업이다.
• 반도체 제조공정에서 발생하는 결함을 찾아내고 공정 상태를 측정한다.
• 검사(Inspection)는 웨이퍼의 결함을 찾아내는 기술이다.
• 계측(Metrology)은 반도체 구조의 크기와 물리적 특성을 측정하는 기술이다.
• 공정제어(Process Control)는 검사 데이터를 활용해 제조공정을 개선하는 과정이다.
• 반도체 수율은 생산된 칩 가운데 정상적으로 사용할 수 있는 제품의 비율을 의미한다.
• 반도체가 미세해질수록 작은 결함의 영향이 커질 수 있어 검사·계측의 중요성이 높아진다.
• HBM은 여러 개의 DRAM 다이를 적층하기 때문에 정밀한 검사와 품질관리가 중요하다.
• 3D NAND는 수직 적층 구조 때문에 증착·식각뿐 아니라 계측과 결함 검사가 중요하다.
• GAA는 복잡한 3차원 트랜지스터 구조이기 때문에 정밀한 측정 기술이 필요하다.
• 광학검사와 전자빔 검사는 각각 다른 방식으로 반도체 결함을 검사한다.
• KLA의 경쟁력은 검사장비뿐 아니라 데이터 분석과 공정제어 기술에도 있다.
• KLA의 진입장벽은 특허, 장비 기술, 검사 알고리즘, 공정 데이터, 고객사와의 협력 경험이 결합된 형태다.
• AI 반도체와 HBM, 첨단 패키징이 성장할수록 검사·계측 장비의 중요성이 높아질 가능성이 있다.
• KLA의 핵심 경쟁력은 반도체 제조공정의 ‘눈’ 역할을 하면서 수율을 높이는 기술이다.