반도체 외관 검사 장비란?
반도체 외관 검사 장비는 반도체 제조 공정에서 웨이퍼나 반도체 칩의 불량 여부를 외관상으로 검사하는 장비입니다.
반도체의 주요 제조공정으로는 인쇄의 원판에 해당하는 포토마스크 제조공정, 반도체의 기반이 되는 웨이퍼 제조공정, 포토마스크를 이용하여 웨이퍼 위에 미세한 회로구조를 형성하는 전 공정, 회로 형성 후 반도체 칩을 개별적으로 패키징하는 후 공정이 있으며, 세부적으로 살펴보면 수백 개의 공정 이 존재합니다.
최근 반도체 미세공정 기술은 수 나노 (머리카락 굵기의 약 1만분의 1) 의 영역에 도달함과 동시에 웨이퍼의 직경도 대형화되어 한 장의 웨이퍼에서 수십억 개의 트랜지스터가 탑재된 반도체 칩을 수천 개씩 만들 수 있게 되었습니다.
이러한 생산성을 자랑하는 반도체 제조 공정에서 검사 장비는 불량품의 조기 선별, 비용 절감, 품질 및 신뢰성 향상으로 이어져 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 반도체 외관 검사 장비의 선정 기준은 웨이퍼의 직경, 사용하는 공정, 검출하는 불량품의 종류를 고려해야 합니다.
반도체 외관 검사 장비의 사용 용도
반도체 외관 검사 장비는 반도체 제조 공정의 다양한 단계에서 사용됩니다.
반도체 외관 검사 장비를 사용하여 검출하는 불량으로는 포토마스크나 웨이퍼의 뒤틀림, 균열, 스크래치, 이물질 부착, 전 공정에서 형성되는 회로 패턴의 오차, 치수 불량, 후공정에서 발생하는 패키징 불량 등 다양한 경우가 있습니다.
따라서 공정별로 적합한 반도체 외관 검사 장비와 소프트웨어를 선정해야 하며, 검사의 고속화 및 인력 절감을 위해 AI 등을 활용한 자동화가 진행되고 있습니다.
반도체 외관 검사 장비의 원리
반도체 외관 검사 장비는 측정하는 장비와 측정한 데이터를 처리하는 소프트웨어, 적절한 측정을 위한 설비로 구성됩니다.
측정하는 장치로는 고해상도 카메라, 전자현미경, 레이저 계측기 등이 사용됩니다. 측정한 데이터를 처리하는 소프트웨어는 검사하는 공정에 맞는 알고리즘이 개발되어 있습니다. 적절한 계측을 위한 설비로 진동을 억제하는 설비와 빛을 비추는 설비도 필요합니다. 이하 내용은, 반도체 외관 검사 장비의 핵심인 영상 촬영 기술, 영상 처리 기술, 결함 분류 기술에 대한 설명 입니다.
- 영상 촬영 기술
이미지 이미징 기술은 레이저 빛을 웨이퍼에 조사하여 그 산란광을 검출하여 결함을 측정하는 기술입니다. 미세한 요철을 빛나게 하여 이물질이나 파손을 검출합니다. - 이미지 처리 기술
이미지 처리 기술은 웨이퍼 상의 모든 칩에 형성되는 패턴이 동일하다는 점을 이용하여 인접한 패턴을 비교하여 결함을 검출하는 기술입니다. 고속으로 광범위한 처리가 가능합니다. - 결함 분류 기술
결함 분류 기술은 결함을 검출한 후 그 결함을 분류하여 원인을 추출하는 기술입니다. 결함의 원인을 찾아내고 대처하기 위해 필요한 기술입니다.
반도체 외관검사의 종류
1. 웨이퍼 제조 공정 및 전 공정에서의 외관 검사
웨이퍼는 실리콘으로 대표되는 반도체 원료를 잉곳이라는 원통형 단결정 소재로 성형하여 1mm 정도의 두께로 슬라이스하고 표면을 연마한 것으로, 최근에는 직경이 12인치 (약 30cm) 에 달합니다.
웨이퍼의 결함에는 부착된 이물질뿐만 아니라 웨이퍼 자체에 있는 표면의 스크래치, 균열, 가공 불균일, 결정 결함 등이 있는데, 주로 레이저 광을 조사하여 이러한 결함을 검출하는 것이 웨이퍼 제조 공정의 외관 검사입니다.
전 공정은 웨이퍼 상태 그대로 진행되기 때문에 발생하는 결함에는 크게 두 가지 종류의 결함이 있는데, 무작위 결함과 체계적 결함입니다. 무작위 결함은 주로 이물질 혼입에 의해 발생하는 결함인데, 무작위적이기 때문에 그 발생 위치를 예측할 수 없습니다. 따라서 웨이퍼 상에 있는 무작위 결함을 이미지 처리를 통해 검출합니다. 반면, 시스템적 결함은 포토마스크나 노광 공정 조건, 예를 들어 포토마스크에 부착된 입자로 인해 발생하는 결함이며, 웨이퍼에 늘어선 각 반도체 칩의 동일한 위치에서 발생하는 경향이 있습니다.
2. 후공정 외관 검사
후공정에서는 웨이퍼를 각 칩으로 절단 (다이싱) 하여 수지나 세라믹 패키지에 담고, 칩의 단자와 패키지의 단자를 연결 (와이어 본딩) 하여 봉인합니다. 이후 전기적인 검사가 주를 이루지만, 외관 검사로 와이어 본딩 불량, 부품번호 인쇄 불량 등의 검사가 이루어집니다.
반도체 외관검사의 기타 정보
1. 반도체 외관검사의 중요성
일반적으로 제조 공정에서의 외관 검사는 제품의 기능이나 성능과는 무관한 먼지나 흠집 등의 확인을 목적으로 하는 경우가 많지만, 반도체 제조에서 먼지나 흠집 등은 단순한 외관상의 문제가 아니라 거의 모든 경우에 기능이나 성능에 영향을 미치는 문제입니다.
반도체는 전자 소자이기 때문에 다른 전기/전자 소자와 마찬가지로 전기적인 검사도 이루어지지만, 수십억 개의 트랜지스터와 이를 연결하는 배선을 모두 검사하는 것은 매우 어려우며, 트랜지스터의 게이트나 배선의 미세한 부분 등은 외관 검사로만 확인할 수 있습니다.
2. 반도체 외관검사의 정밀도
수 나노 단위의 미세한 반도체 공정에서는 하나의 배선 굵기나 인접한 배선의 간격이 수 나노 단위가 됩니다.
여기에 나노 단위의 불량이 존재하면 배선 단락이나 단선의 원인이 됩니다. 또한 이 1/10 크기의 불량으로 인해 배선 폭이 설계치의 90% 두께가 되더라도 배선의 저항값과 정전용량이 변하게 됩니다. 이 배선에 전류가 흐르면 전자의 이동에 의해 금속 원자가 이동하는 일렉트로마이그레이션이라는 현상이 발생하여 배선이 빠르게 얇아지고 단기간에 단선이 발생하게 됩니다.
이처럼 반도체 제조에서는 매우 미세한 정밀도의 외관 검사가 요구되며, 미세공정 기술이 발전함에 따라 요구되는 정밀도는 더욱 높아질 것입니다.