팬아웃(Fo) 및 2.5D, 3D 생산 라인에 광학 검사 장비 도입... X선 장비로 보완까지

반도체 후공정 생산 라인에 새로운 유형의 검사(Inspection) 장비가 도입되고 있다. 

자동차 등 신뢰성이 중요한 시장에 들어가는 반도체의 종류가 늘어나고 3차원(3D) 적층이나 실리콘관통전극(TSV) 등 차세대 반도체 패키지가 등장하면서다. 기존 검사 방법으로 결함을 찾는 데 한계에 직면하면서 업계는 X선 등을 활용하는 새로운 검사 장비를 채택, 수율을 높이고 있다.

 

검사 장비, 하나의 유형으로 모든 결함을 찾아낼 수는 없다

반도체 후공정에서 관찰되는 여러 가지 모양의 결함들./KLA
반도체 후공정에서 관찰되는 여러 가지 모양의 결함들./KLA

검사는 반도체 패키지의 결함(Defect)이나 불량을 야기하는 이물(Particle) 등을 찾아내는 공정 단계다. 생산 중인 패키지의 물리적·전기적 특성 목표가 제조 순서의 각 단계에서 제대로 충족되고 있는지 확인하는 계측(Metrology) 공정과는 다르다. 

검사 장비는 비파괴 방식과 파괴 방식으로 나뉜다. 전자는 반도체 패키지를 손상시키지 않고 결함을 검사하고, 후자는 반도체 패키지를 자르거나 분해하는 등 기계적으로 파괴해 안팎의 결함을 파악한다. 

모든 검사가 비파괴 방식으로 이뤄진다면 좋겠지만 전공정이든 후공정이든 이 두 방식의 검사를 혼용한다. 각자 장단점이 있기 때문이다. 예를 들어 비파괴 방식 중 하나인 광학 기반 검사 장비는 반도체 표면의 결함을 찾아낼 수 있지만 내부 인터커넥트 결함 등은 찾아낼 수 없다. 

수년 전까지만 해도 반도체 후공정에서 검사는 전공정보다 훨씬 간단했다. 입출력(I/O) 숫자도 지금처럼 많지 않았고, 구조도 단순했기 때문이다. 하지만 최근에는 칩 하나에 수십, 수백억개의 트랜지스터가 들어가는데다 여러 다이를 하나의 패키지에 담기도 한다. 복잡성이 증가했으니 검사도 어려워질 수밖에 없다.

검사 장비 업체 관계자는 “하나의 검사 장비로는 제조사의 모든 요구 조건을 충족할 수 없다”며 “반도체 패키지의 복잡성이 증가하면서 결함을 감지하고 공정 수율을 개선하기 위해 새로운 계측 및 검사 장비에 대한 요구가 증가하고 있다”

 

광학식 검사 장비의 한계

반도체 제조사는 반도체를 손상시키지 않고 확인하는 비파괴 기반 검사 방식을 선호한다. 후공정 업계도 마찬가지다. 

후공정 생산라인에 들어가는 검사 장비는 대부분 광학식 비파괴 검사 장비다. 광학식 비파괴 검사 장비는 다른 유형의 검사 장비보다 처리량(Throughput)이 많기 때문에 보통 인라인에서 활용된다. 장비 업체로는 KLA, 온투이노베이션(Onto Innovation), 캠텍(Camtek) 등이 있다. 온토이노베이션은 나노메트릭스(Nanometrics)와 루돌프(Rudolph)가 합병해 설립된 회사다.

 

▲SiC 기반 전력반도체 웨이퍼. /SEMI코리아
▲SiC 기반 전력반도체 웨이퍼. /SEMI코리아

광학식 검사 장비는 팬아웃(Fo) 생산 라인이나 적층 패키지 생산 라인에서도 활용된다. 기존 장비보다 정밀도가 높아야하며 최신 장비들은 2~5㎛ 크기의 패턴, 마이크로범프 등을 검사할 수 있을 정도로 성능이 뛰어나다.

팬아웃 생산 라인에서 재배선층(RDL)을 3~4개 만들 때 보통 10대에서 15대까지의 광학식 검사 장비가 들어간다.

적층 패키지 생산라인에는 광학식 검사 장비를 쓰기 까다로울 때가 있다. 광학식 검사 장비는 말 그대로 반도체 표면에 빛을 쪼여 산란된 빛을 수집, 판별하거나 샘플을 비스듬히 비쳐 반대쪽에서 받아들인 빛 데이터로 검사를 진행한다.

하지만 적층을 끝낸 뒤 검사를 하면 칩과 칩 사이에 있는 범프(bump)와 기둥(pillar)이 빛을 반사시켜버려 제대로 된 검사 결과가 나오지 않는다. 현재까지 이를 해결할 수 있는 방안은 사이버옵틱스(Cyberoptics)의 다중반사억제(MRS) 센서뿐으로, KLA의 후공정 검사 장비에 채택돼있다.

업계 관계자는 “다중 반사로 인한 오류를 억제하기 위해 다수의 업체들이 빛의 위상을 판별, 원하는 값만 빼고 나머지 값을 없애는 식의 기술을 개발 중”이라며 “칩과 칩 사이 범프가 수천개씩 들어가는 터라 각 범프에서 반사되는 빛을 일일이 추적해 지우기가 쉬운 일은 아니다”고 말했다.

 

보완책으로 떠오른 X선 검사 장비

앞서 지적했듯 그렇다고 광학 검사 장비가 모든 결함을 다 측정할 수는 없다. 일부 결함은 레이어 안쪽에 숨어있기도 하고, 파묻혀있기도 하다. 이전까지는 이를 알아보기 위해 반도체 패키지를 잘라 주사전자현미경(SEM) 등으로 들여다봤지만, 파괴 방식인데다 샘플 크기도 제한돼있고, 검사 시간이 오래 걸려 인라인에 도입하기는 무리가 있었다.

장비 유통업계 관계자는 “SEM 장비 등은 대부분 연구개발(R&D)이나 랩(Lab)에서 주로 활용한다”며 “첨단 반도체 패키지의 경우 모든 업체가 전수검사를 하다보니 SEM을 쓸 수 없다”고 말했다.

 

X선으로 사과 내부를 관찰한 모습. 사과를 자르지 않고도 씨앗 하나하나가 선명하게 보인다./자이스
X선으로 사과 내부를 관찰한 모습. 사과를 자르지 않고도 씨앗 하나하나가 선명하게 보인다./자이스

이에 업계는 최근 X선 검사 장비를 생산라인에 다시 도입하려는 움직임을 보이고 있다. 후공정 생산라인에서는 현재 주로 2D X선 현미경을 쓰지만, 이를 3D 검사에까지 활용하는 모양새다. 이미 파운드리 업체들은 X선 장비를 생산 라인에 도입했고, 후공정(OSAT) 업체들도 뒤따르고 있다.

X선 검사는 반도체 업계에서만 20여년이 넘게 쓰인 기술로, 주로 인쇄회로기판(PCB)이나 볼그리드어레이(BGA) 등 2D 반도체 패키지를 검사하는 데 쓰였다. X선은 샘플의 몸체를 통과하기 때문에 빛이 침투할 수 없는 내부까지 들여다볼 수 있는데, 3D 적층 패키지 등이 등장하면서 다시금 주목받고 있다.

2D X선 현미경은 샘플이 배치되면 X선 광원(Source)에서 X선이 180도 뒤집힌 원뿔 모양으로 방출되고, X선이 얼마나 흡수됐는지를 파악하면서 결함을 관찰한다. 모든 물질은 밀도, 원자 수, 두께에 따라 X선 방사선을 다르게 흡수하는데, 두껍고 밀도가 높으면 더 많은 X선을 흡수한다.

2D X선 현미경은 노드슨(Nordson), 자이스(Zeiss) 등이 공급하는데 이들 업체는 최근 3D 결함 검사 기능을 더한 X선 검사 장비를 내놓고 있다. 2D로 결함이 있을 것 같은 영역을 골라낸 다음 3D로 이를 상세하게 검사하는 식이다.

 

자이스의 3D X선 현미경 내부./자이스
자이스의 3D X선 현미경 내부./자이스

자이스가 최근 내놓은 3D X선 현미경은 40㎚ 미만 3D 화소(voxel)를 관찰할 수 있고 공간 분해능은 500㎚다. 2.5D 인터포저, TSV를 활용하는 고대역폭메모리(HBM), 웨이퍼레벨패키지(WLP) 등을 생산할 때 적합하며 보통 금속(metal) 구조를 확인할 때 활용된다.

관건은 처리량이다. 대부분의 X선 현미경은 아직도 거꾸로 된 원뿔 모양으로 X선을 하나의 샘플에 집중시켜 검사를 한다. 보통 웨이퍼 하나에 수백개의 다이(die)가 있다는 걸 감안하면 처리량이 느릴 수밖에 없다.

메모리 제조사 관계자는 “X선을 점이 아닌 선 형태로 쫘서 한꺼번에 이미지를 분석하는 방법 등도 고안되고 있다”면서 “X선 외에도 적외선 열 화상 특정(IRT) 등 다양한 검사 방식이 개발되고 있다”고 전했다.

저작권자 © KIPOST(키포스트) 무단전재 및 재배포 금지