반도체 후공정 계측 장비 (RDL, Warpage, TSV)
1) RDL CD 측정
RDL(재배선층, Redistribution Layer)은 반도체 칩에 전기적 연결을 위한 금속 와이어와 절연층을 형성하는 과정으로, 칩의 입출력(I/O) 패드를 재배치하거나 확장하여, 더 작은 크기의 칩에 더 많은 연결 단자를 제공하거나 특정한 패키징 형식에 맞게 배선을 조정하는 데 활용됨. (후공정에 많이 활용됨) 주요 공정 단계는 다음과 같음. 1) 절연층 형성: 칩 표면 위에 절연층을 형성하여 배선이 손상되지 않도록 보호함. 2) 배선 패턴 형성: 포토리소그래피 기술을 이용해 배선을 형성할 패턴을 만듦. 3) 도금 및 증착: 구리(Cu)와 같은 전도성 물질을 증착하거나 도금해 배선을 만듦. 4) 패턴 제거: 불필요한 도전성 물질을 제거해 원하는 배선 패턴을 남김.
RDL에서 CD(Critical Dimension)를 측정한다는 것은 재배선층의 핵심 치수를 정확히 측정하여 공정의 품질과 신뢰성을 확보하는 과정을 의미함. 여기서 CD는 특정 패턴의 선폭 (배선의 폭), 간격, 구조물의 크기 등을 의미함. CD는 나노미터 단위로 측정되며, 설계와 실제 패턴일 얼마나 정확하게 일치하는지 판단하는 데 사용됨. 기존에는 RDL CD를 2D로 측정했지만, 고급 반도체 제조와 패키징 기술이 발전하면서 3D 계측으로 넘어가고 있음. 2D 측정은 일반적으로 웨이퍼 표면에서 단면적으로 구멍의 직경이나 폭을 측정하는데, 3D 측정은 입체적인 구조 분석이 가능함. 최근 적용되는 3D 반도체 및 패키징은 수직 연결이 필요하고, 구멍이나 채널의 다양한 깊이나 테이퍼 구조 (상단과 하단의 크기가 다른 구조) 등 다양한 형상을 가지기 때문에, 2D로는 정밀한 계측이 어렵고, 3D 계측 기술이 적용되고 있음.
최근 RDL CD 측정은 1) CD-SEM(Critical Dimension Scanning Electron Microscope), 전자현미경 2) AFM(Atomic Foce Microscopy) 원자현미경, 3) Optical Metrology 광학 기반 장비 중 하나를 이용하여 측정함. 글로벌 계측 장비에서 높은 점유율을 차지하는 KLA는 RDL의 미세 구조를 정확히 측정하기 위한 장비로는 CD-SEM을 이용하고, 배선 CD를 측정하는 등 해상도가 조금 낮아도 되는 작업에는 빠른 속도와 생산성의 강점을 가지는 광학 기반 장비를 사용함. 글로벌 업체인 Onto는 주로 광학 기반 측정 기술 중 (Whit Light Inteferometry) 및 반사 기술을 이용하여 RDL CD를 측정함. AFM은 RDL 표면의 3D 형상을 분석하는데 유용하지만, 속도가 느리기 때문에 생산 라인에 적합하지 않다는 의견들이 많음. 많은 업체들이 광학 기술 기반으로 RDL CD를 측정하나, 해상도를 높이기 위한 광학 기술 개발에 박차를 가하고 있음.
2) Warpage 측정
Warpage는 반도체 제조 및 패키징 과정에서 웨이퍼가 평면성을 유지하지 못하고 변형되는 현상을 말함. RDL과 같은 다층 구조에서 각 층마다 다른 재료를 사용하는데, 반도체 공정에서 열을 가하는 과정에서 열팽창 계수가 다른 재료들이 서로 다르게 팽창 및 수축하면서 내부 응력이 발생하고, 이로 인한 Warpage 문제가 발생하면서 성능에 큰 영향을 미침. 따라서, 미세 공정 및 고밀도 패키징이 요구되는 현대 반도체 기술에서 Warpage를 정밀하게 측정하고 제어하는 것은 공정 안정성, 수율, 최종 제품 성능에 직접적인 영향을 미침. 따라서 많은 업체들이 Warpage 측정을 위한 정밀 계측 장비 개발 및 도입을 추진 중임.
Warpage 측정 방법으로는 비접촉식 광학 기술과 접촉식 기계적 기술, 열적 측정 방식이 있음. 비접촉 광학 방식에는 White Light Interferometry (WLI), 레이저 스캐닝, Moire (모아레) Interferometry 등이 있고, 접촉식 방식은 미세 프로브를 이용한 계측을 하고, 열적 측정 방식은 리플로우 오븐에서 온도를 변화시키는 등 실제 조건을 모사하여 Warpage 변화를 측정함. KLA, Onto Innovation, ASM Pacific 등과 같은 글로벌 반도체 장비 제조업체들은 각자의 강점과 기술력을 기반으로 다양한 Warpage 측정 기술을 제공함. 각 회사는 주로 광학 기반 기술과 열적 시뮬레이션 기술을 중심으로 Warpage를 분석하며, 장비의 용도와 타겟 응용 분야에 따라 접근 방식이 조금씩 다름. 예를 들어, 웨이퍼와 RDL 측정에는 KLA의 광학 간섭 기술이 주로 사용되며, 대면적 PCB나 패키지에는 Onto Innovation의 Moire 간섭 기술이 적합함. 각 업체별 주요 기술 및 강점은 다음과 같음.
3) TSV (Through-Silicon Via) 구멍 크기 및 깊이 측정
TSV는 실리콘 웨이퍼나 칩을 관통하는 미세한 구멍(비아)을 만들어 전기적으로 상하 칩을 연결하는 기술로, 기존의 와이어 본딩 방식과 달리 수직 연결을 통해 신호 전달 거리를 단축하고, 고집적화 및 고속화를 가능하게 함. TSV는 다층으로 D램을 쌓는 HBM이나 3D NAND 메모리 등에 주로 활용되며, 수직 연결을 하기 위한 비아가 제대로 뚫렸는지 구멍의 크기와 깊이를 측정하는 기술은 매우 중요하며 이를 위한 여러 글로벌 업체들이 개발을 진행하고 있음.
이를 계측하기 위한 기술로는 위에서 설명한 CD-SEM, AFM, 광학 기반, X-ray 기반 등이 있으며, 여러 업체들이 각자의 기술로 장비 개발을 진행 중임. KLA는 광학 기반 3D 프로파일링 및 X-ray 기술을 보유하고 있으며, Onto는 3D 광학 측정 및 Moire 간섭 기술, Hitachi는 CD-SEM 방식으로 TSV 계측 장비를 개발하고 있음.