한국생산기술연구원

불량 반도체 칩, 16배 빠르게 잡아낸다

- 생기원, 융합연구로‘고속 멀티 프로빙 웨이퍼 검사 시스템’개발

- 반도체 고집적화 추세 대응한‘2세대 웨이퍼 검사시스템’국산화 청신호

□ 반도체가 고집적화 되면서 웨이퍼 검사의 중요성도 점점 커지고 있다.

ㅇ 반도체 공정은 웨이퍼를 제조하고 회로를 새기는 전 공정, 칩을 패키징 하 는 후 공정으로 나뉘며, 전 공정과 후 공정 사이에 웨이퍼 테스트를 거친다.

ㅇ 전 공정에서 만들어진 불량 칩이 패키징 되는 것을 사전 선별해 칩의 특성과 품질을 검증함으로써 반도체 생산성을 높이기 위한 필수 공정이다.

□ 웨이퍼 계측(Probing) 및 검사는 나노미터 단위의 결함을 잡아내야 하는 공정의 특성상 한 치의 오차도 허용되지 않는다.

ㅇ 이 때문에 초기 불량을 잡아내는 것이 중요한데, 이를 위해 진행하는 웨이퍼 번인(Burn-in)* 과정에서 칩의 집적도에 따라 2~12시간이 소요 돼 병목 현상이 발생하게 된다.

* 고온에서 전압을 가해 실제 사용 시 발생할 수 있는 불량을 미리 예측하는 공정

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원) 디지털전환연구부문 남경태 박사 연구팀이 산학연 융합연구를 통해 동시에 16장의 웨이퍼 검사가 가능한 ‘고속 멀티 프로빙 웨이퍼 검사 시스템’을 개발했다.

ㅇ 연구팀은 한 번에 한 장의 웨이퍼만 검사할 수 있었던 기존 싱글 프로 빙 장비의 한계를 뛰어넘어, 동시에 16장의 웨이퍼를 검사할 수 있는 시스템을 개발해 단위 시간 당 16배 많은 처리량을 구현할 수 있게 됐다.

ㅇ 우리나라는 반도체 웨이퍼 검사 장비의 75% 이상을 해외 제품에 의존 하고 있어 장비 국산화에도 청신호를 켠 성과로 평가받고 있다.

□ 웨이퍼 검사는 프로버(Prober) 장비의 척(Chuck) 위에 웨이퍼를 위치시키고, 프로브 카드(Probe Card)와 접촉시켜 불량품을 선별해 내는 방식으로 진행된다.

ㅇ 프로브 카드에 장착된 미세한 핀들이 웨이퍼와 접촉해 전기신호를 보 내면, 되돌아오는 신호를 분석해 양품과 불량품을 판별하는 구조이다.

ㅇ 아주 작은 반도체 칩 위에 마이크로미터 크기의 핀 수만 개를 접촉시키기 위해서는 고도의 기술력이 요구되고, 시간은 곧 제조비용 상승으로 이어지기 때문에 테스트 검사 시간과 항목을 줄이는 것이 기술력의 핵심으로 꼽힌다.

□ 공동 연구팀은 1회 검사로 여러 장의 웨이퍼를 동시에 테스트할 경우 생산량은 증가하면서 시간과 비용은 줄일 수 있다는 데 착안해 고속 멀티 프로빙 웨이퍼 검사 시스템을 설계했다.

ㅇ 새로운 검사 시스템의 핵심은 일체형 카트리지, 이송로봇, 멀티 챔버 설계·제작과 이를 구동할 수 있는 통합 제어시스템 개발이다.

ㅇ 연구팀은 웨이퍼 테스트의 주요 부품인 프로브 척, 웨이퍼, 프로브 카드 를 하나의 프레임 안에 패키지화한 일체형 카트리지를 개발했다.

ㅇ 이어 일체형 카트리지를 16개 장착할 수 있는 멀티 챔버방(Chamber Channel)을 제작하고, 얼라인먼트 알고리즘을 통해 카트리지를 검사용 챔 버까지 정확하게 연결할 수 있는 시스템을 설계했다.

ㅇ 수백 킬로그램에 달하는 고 중량의 카트리지를 정해진 챔버방까지 빠 르고 안정적으로 전달할 수 있도록 이송로봇도 함께 개발했다.

□ 생기원 남경태 박사 연구팀은 국가과학기술연구회의 창의형융합연구사업으로 진행된 이번 과제의 총괄 주관을 맡아 성균관대학교, ㈜티 로보틱스, ㈜에이엠에스티와 함께 일체형 카트리지 얼라이너 및 이송로봇, 시스템 통합·제어기술을 개발했다.

ㅇ 한국전기연구원 정순종 박사 연구팀은 다채널 동시 테스트에 필요한 멀티 챔버 및 웨이퍼, 핀의 접촉 정밀도를 높여 불량률과 부품 손상을 줄이기 위한 프로빙 조정모듈(Tilting Module)을 개발했다.

ㅇ 한국재료연구원 전재호 박사 연구팀도 협동기관으로 참여해 노이즈를 최소화할 수 있는 열 척(Thermal Chuck) 구조를 설계·제작하고, 관 련 소재를 개발했다.

□ 융합연구를 이끈 남경태 박사는 “고정밀·고집적화로 반도체 패러다임이 바뀌는 추세에 맞춰 웨이퍼 검사 시스템도 2세대 전환을 서둘러야 할 시점”이라고 설명하며 “개발된 검사 시스템을 현장에 적용할 경우 기존 싱글 프로버 16대 분량의 검사가 가능해져 생산성과 공간 활용도를 높이면서도 비용을 획기적으로 줄일 수 있다”고 밝혔다.