반도체 검사 장비란?
반도체 검사 장비는 반도체 제조 공정에서 이루어지는 검사에 사용되는 장비의 총칭입니다.
반도체 제조에서는 웨이퍼 제조 단계, 회로 패턴 형성 단계, 패키징 단계에서 검사가 이루어집니다. 다양한 기기에 사용되는 반도체 칩은 기능의 근간을 이루는 경우가 많아 정상 작동은 물론 기기 작동의 안전성 측면에서도 높은 신뢰성을 보장해야 합니다.
현재 가장 집적도가 높은 반도체 칩은 하나의 칩에 수백억 개의 트랜지스터가 탑재되어 있으며, 이를 수십 년 동안 정상적으로 작동시키기 위해서는 설계부터 제조까지 충분한 검사가 필요합니다.
반도체 검사장비의 사용 용도
반도체 검사 장비는 반도체 제조 공정의 여러 단계에서 제조 불량을 검출하기 위해 사용됩니다.
1. 웨이퍼 제조 단계
웨이퍼 제조 단계에서는 단결정 실리콘 덩어리에서 회로 제조의 기판이 되는 원반형 실리콘 웨이퍼를 슬라이스하고, 표면 연마 및 열처리를 통해 회로 형성 전의 웨이퍼를 제조합니다. 이 단계의 검사 항목으로는 슬라이스된 웨이퍼의 왜곡, 균열, 모서리 결함, 표면 결함, 이물질 부착 등을 감지하는 외관 검사가 이루어지며, 양품으로 판정된 웨이퍼는 다음 공정으로 보내집니다.
2. 회로 패턴 형성 단계
회로 패턴 형성 단계에서는 웨이퍼 위에 트랜지스터와 배선이 될 박막층 형성, 포토마스크를 이용한 패턴 전사, 불필요한 부분을 제거하는 에칭 등의 공정을 반복하면서 필요한 회로 패턴이 형성됩니다. 이 단계의 검사 항목으로는 웨이퍼 검사 시와 같은 외관 검사 외에 전기적 특성과 회로로서의 정상 동작을 확인하는 검사가 있으며, 이를 통과한 웨이퍼는 다음 공정으로 넘어가게 됩니다.
3. 패키징 단계
패키징 단계에서는 웨이퍼 상태에서 하나하나의 반도체 칩으로 절단(다이싱)되고, 이 칩의 전극 단자가 패키지 측의 연결 단자에 본딩되어 패키지에 봉입됩니다. 이 단계는 제품으로서 완성된 단계이며, 검사 항목으로는 전기적 특성 및 패키지와의 연결(와이어 본딩) 불량을 검출하는 검사가 있으며, 이를 클리어하면 출하 가능한 제품이 됩니다.
반도체 검사장비의 원리
반도체 검사는 크게 외관 검사와 전기적 특성 검사로 나뉩니다.
1. 외관 검사
외관 검사에서는 고해상도 카메라를 이용하여 웨이퍼의 변형, 균열, 모서리 결함 등을 검출하거나 웨이퍼 상의 이물질 부착 등을 검출합니다. 표면 검사 장치에서는 웨이퍼를 회전시키면서 레이저 광을 웨이퍼 표면에 조사하고, 그 반사광의 산란 유무를 검출하여 표면 결함이나 이물질 부착을 확인합니다.
또한, 고감도 카메라를 이용하여 다이싱 시 치수 불량, 와이어 본딩 시 연결 불량 등을 검출합니다.
회로 패턴 형성 후에는 전자현미경을 이용하여 미세 패턴의 이미지 분석을 통해 이물질 검출 및 회로 패턴의 편차 등을 확인합니다. 고감도 카메라로 이물질을 발견한 후 패턴 전사를 하고, 전사 후 레이저 발신기와 레이저 수신기를 통해 이물질의 위치를 파악합니다. 여기에 전자현미경을 위치시켜 이물질의 상세 부분을 이미지로 기록하여 다른 형상 등의 상세 정보와 비교하여 분석 및 평가를 진행합니다.
2. 전기적 특성 검사
회로 패턴 형성 단계에서는 웨이퍼 상태 그대로 전기적 특성 검사가 이루어집니다. 이 검사에는 칩에 테스트 패턴이라는 전기신호를 입력받아 출력 신호 패턴을 기대치와 비교하여 판단하는 LSI 테스터와 칩 하나하나의 전극 단자에 정확한 신호 연결을 위해 칩 레벨의 위치 제어를 하는 웨이퍼 프로버와 칩 내 수백~수만 개의 전극 단자에 정확히 닿도록 위치 제어를 하는 웨이퍼 프로버가 사용됩니다. 에 정확히 닿도록 위치가 결정된 동일한 수의 바늘(프로브)을 가진 프로브 카드로 검사가 진행됩니다.
패키징 단계에서의 검사는 출하 전 최종 검사로, 최종 검사(F검)라고도 한다. 여기서 F검용 보드라는 테스트용 보드를 만들어 회로 동작을 검사합니다.
최근 대규모 회로에서는 BIST(Built In Self Test)라는 방법도 사용되는데, BIST는 회로를 검사하는 테스트 패턴을 발생시키는 회로와 테스트 결과를 기대값과 대조하는 회로를 설계 단계부터 반도체 칩 내에 만들어 검사 시간을 단축할 수 있습니다.
위에서 언급한 고감도 카메라와 LSI 테스터, 전자현미경 외에도 반도체 검사에 많이 활용되는 것으로는 검사용으로 만들어진 이미지 분석 소프트웨어, 적외선 카메라 등을 들 수 있습니다.