WIN-WIN TECH - 반도체 범프 형상 검사기술
한국표준과학연구원 길이센터*의
최신 기술개발
* 길이 단위(에)의의 국가 표준을 확립하고, 각도, 표면 거칠기 등 관련량의 측정표준 연구를 수행하고 있으며, 새로운 길이와 형상 측정기술의 개발을 통해 관련 산업에 기여하고 있음.
최근에 개봉된 영화 ‘감시자들’은 치밀하게 자신을 감추는 천재적인 범죄자 제임스(정우성)를 첨단 기술을 동원해 찾는 감시반 황 반장(설경구)의 이야기이다.
대한민국 5,000만 명의 사람 중에서 단 한사람인 범인을 추적하기 위해서 감시반은 첨단과학을 활용한 여러 가지 수단을 가지고 있다.
감시반은 사건 현장과 그 주위에 설치된 CCTV의 영상에 찍힌 많은 사람들의 특징을 분석해 용의자를 찾고 제임스의 하수인을 체포한다.
하지만 제임스는 번번이 황 반장의 추적을 피해나간다.
그렇다면 이렇게 영악한 범죄자도 찾아낼 수 있도록 CCTV 감시 시스템을 만들 수는 없는 것일까?
기술적인 관점에서는 언제나 유효한 방법이 있다. 보다 더 정확하고 빠르며 유연한 감시 시스템을 만드는 것이다.
산업 현장에서도 이와 아주 유사한 감시 시스템인 ‘검사장비’가 널리 사용되고 있다.
예를 들어 이동전화 안에는 수십억 개 이상의 소자가 들어있고 이 중 어떤 것은 하나만 고장이 나도 전체를 사용할 수 없게 될 수 있다.
그러므로 감시반에서 범인을 찾듯이 생산과정에서 고장 나거나 잘못 만들어진 소자는 그 즉시 찾아내야 경제적 손실을 최소화 할 수 있다.
그림 1(a)는 반도체의 기판과 웨이퍼를 연결하는 전극인 구리 범프의 SEM 사진이다.
아래위의 두 판을 전기적으로 연결해야 하므로 범프는 높이, 크기, 모양을 일정하게 만든다.
생산 과정의 문제로 그림 1(b)와 같이 범프의 모양이 다르게 만들어 지면 이 부분은 전선이 연결되지 않으므로 만들어 놓은 부품이 오작동을 일으키게 된다.
그림 1 > Copper pillar bumps
자료: ITRS.
애플의 아이폰이 시판된 이후에 스마트폰 시장의 폭발적인 확대는 전자부품의 소형화를 강력하게 유도하고 있다.
1973년 처음 개발된 핸드폰은 단순히 전화 기능만 있으면서도 무게가 1.1㎏이나 될 정도로 크고 무거웠다.
현재 널리 사용되는 스마트폰의 무게가 0.15㎏ 안팎인데도 기능은 무한에 가깝게 확장될 수 있었던 것은 사용되는 전자칩이 강력한 기능을 가지면서도 더욱 소형화되었기 때문이다.
이렇게 반도체칩이 소형화되려면 범프의 크기 역시 비약적으로 작아지고 검사해야 하는 수량은 많아지게 된다.
그러므로 기존의 측정기술은 성능에서 한계를 보이게 되고 새로운 기술의 출현이 필요하게 된다.
일반적으로 범프의 소형화에 따른 형상검사기술의 개발 이슈는 (1) 측정속도의 향상, (2) 정밀도 향상, (3) 밀집된 구조물 측정(그림자 효과 등 회피), (4) 가파른 경사면 측정, (5) 깊은 우물 형태의 측정 등이 있다.
그림 2 > 1973년 개발된 Motorola 사의 최초 핸드폰과 개발자 Martin Cooper
자료: BBC News online
기존의 대표적인 형상검사기술은 Moire, Line Projection, White Light Scanning Interferometer, Confocal Microscope 등이 있다. 국내에서 여러 회사와 연구진이 각각의 기술을 개발하고 있다.
(주)고영은 Moire기술을 이용하여 BGA의 검사장비를 개발하여 시장에 진출하여 있다.
(주)에스엔유프리시젼은 백색광간섭계 기술을 이용하여 LCD 공정의 Photo Spacer 높이를 검사하는 장비를 판매하고 있다.
나노스코프시스템즈(주)는 공초점현미경을 개발하여 시판하고 있다.
각 기술의 원리와 문제점은 다음과 같이 요약된다.
영사기로 직선 그림자를 스크린에 투사하고 스크린을 휘면 화면의 직선도 따라서 휘게 된다.
그러므로 투사된 면의 직선이 얼마나 휘었는지를 알면 그 면이 휜 정도를 알 수 있다.
Moire와 Line Projection은 이런 원리로 표면의 형상을 측정하며 BGA(Ball Grid Array)처럼 비교적 큰 대상의 검사에 널리 사용된다.
투사하는 직선의 폭이 좁을수록 정밀하게 되는데 빛은 회절현상이 있기 때문에 투사된 직선의 폭을 좁히는 데는 한계가 있다.
또한 선을 비스듬하게 투사하거나 측정하기 때문에 이웃한 범프의 그림자가 가리게 되면 측정이 안 되므로 그 이상 밀집된 범프는 측정을 못한다.
백색광은 가간섭길이(Coherence Length)가 매우 짧기 때문에 기준거울과 샘플면이 빔스플리트(Beam Split)에서 동일한 거리에 있을 때만 간섭무늬가 생긴다.
그러므로 기준거울을 z-방향으로 정밀하게 움직이면서 xy 면의 어느 지점에서 간섭무늬가 생겼는지를 찾아내면 샘플의 xy 지점의 높이를 알 수 있다.
백색광간섭계는 기준거울을 일정한 간격으로 움직이면서 영상을 기록해 3차원 형상을 복원한다.
백색광간섭계는 1nm 이내의 정밀도로 높이를 측정할 수도 있다.
그러나 높이를 정밀하게 구하려면 기록하는 간격을 더 촘촘히 해야 하므로 기록하는 영상의 수가 비례해서 늘어나고 측정 속도는 느려지게 된다. 측정속도와 정밀도를 동시에 향상시키는 것은 모순의 관계가 있다.
점광원에서 나온 빛을 렌즈를 통해 카메라에 모으면 카메라가 결상위치에 있을 때 가장 밝고 이외의 위치에서는 어두워진다.
공초점 현미경은 가장 밝은 점의 위치를 찾는 방법으로 표면의 형상을 측정한다.
공초점 기술은 원리가 1개 점의 위치를 찾는 것이므로 3차원 형상을 구하기 위해서는 이 점을 전 공간에 스캔하여 신호가 나오는 지점을 기록해야 한다.
그러므로 스캔에 소요시간이 많이 필요하며 보다 정밀하기 위해서는 더 많은 시간이 소요된다.
한국표준과학연구원 길이센터는 고속과 고정밀 측정을 동시에 만족할 수 있는 기술로 위상천이간섭계를 주목하였다.
위상천이간섭계는 3~5장의 간섭영상이 있으면 높이정보를 나노미터이내의 정밀도로 측정할 수 있다.
필요한 영상의 숫자가 작기 때문에 백색광간섭계 보다 빠른 측정이 가능하고 정밀도도 일정하게 유지할 수 있다.
그러나 이 기술은 거울의 표면처럼 완만하게 변하는 면을 측정하는 기술로 널리 사용되고 있지만 범프처럼 단차가 있는 표면의 측정에는 적용되지 않고 있었다.
위상천이간섭계는 2π모호성이라는 것이 존재해서 이 모호성을 해소하는 언랩(Unwrap)과정이 필요하다.
모호성해소는 ‘모든 단차는 파장의 1/4보다 작다는 가정’이 있어가 가능하기 때문에 위상천이간섭계의 단차 측정범위는 파장에 비례하고 He-Ne 레이저를 사용하는 경우 150 nm 정도에 불과하다.
또한 언랩과정은 각 픽셀 데이터들의 상호관계를 점검하는 과정을 거쳐야 하므로 많은 데이터의 연산이 필요하며 형상이 복잡한 표면에서는 복원의 안정성도 떨어진다.
그러므로 측정영역을 확장하고 언랩과정이 필요 없는 방법을 찾아야지 비로소 위상천이간섭계로 범프와 같은 구조물을 측정할 수 있다.
기타를 조율하면, 기준음과 조율하려는 음이 다를 때는 웅~하는 소리가 들리다가 조율을 진행할수록 우~웅 소리가 저주파음으로 변하고 완전히 조율되면 더 이상 이 소리가 들리지 않게 된다.
이때의 ‘웅~’ 소리가 맥놀이 파로서, 비슷한 파장(λ1과 λ2)을 갖는 2개의 파동이 만나면 맥놀이 파동이 생기고 그 파장은 λ1과 λ2의 차이로 결정된다.
그러므로 두 개의 레이저를 이용하여 간섭계를 구성하고 두 레이저 파장을 적절히 선택하면 위상천이간섭계의 단차측정범위를 확장할 수 있다.
또한 모든 구조물이 파장보다 작기 때문에 2π모호성도 없어지므로 언랩이 필요 없게 된다.
또한 기존처럼 기계적으로 거울을 움직이며 위상이 변한 영상을 얻는 것은 부정확하며 속도 향상에 한계가 있으므로 전기적으로 위상을 빠르고 정확하게 변하는 기술을 개발하였다.
이 기술로 구조물의 3차원 형상을 측정하는데 소요되는 시간은 약 30ms에 불과하며 1nm 이내의 정밀도를 얻을 수 있었다.
그림 3 > 두 파장 위상천이간섭계로 측정한 8 μm 단차(측정 시간: 30ms)
한국표준과학연구원 길이센터는 간섭계 기술을 바탕으로 형상, 두께, 거칠기 등에 대한 대한민국의 측정표준을 확립하고 산업체에 제공하고 있다.
측정표준이란 산업체가 측정한 값에 대한 기준을 제공하는 것이므로 산업 현장보다 더 정확하게 측정할 수 있는 기술을 보유하고 있다.
이런 기술에 빠른 속도라는 성능을 더하면 이는 바로 산업에서 생산라인의 검사기술로 활용될 수 있다.
우리는 범프 형상 측정 기술, TSV(Through Silicon Via) 깊이 측정기술, 웨이퍼 두께 프로파일 측정 기술 등을 개발하였고 이들을 기업에 이전되어 검사장비에 활용되고 있다.
