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골치 아픈 3D 반도체 패키지 테스트, 이 장비로 깔끔하게
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골치 아픈 3D 반도체 패키지 테스트, 이 장비로 깔끔하게
  • 김주연 기자
  • 승인 2020.02.05 16:53
  • 댓글 0
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자이스(ZEISS)가 FIB-SEM(focused ion beam-scanning electron microscope) 솔루션으로 '자이스 크로스빔 레이저(ZEISS Crossbeam Laser)'를 추가했다./자이스

최근 반도체에서 가장 빠르게 바뀌고 있는 게 후공정이다. 단일 실리콘 인터포저 상에 백만 개의 입출력(I/O)이 연결될 정도로 밀도가 높아지고 있고 인터커넥트도 마치 회로 선폭처럼 축소되기 시작했다. 적층은 도처에서 진행되고 있다. 이같은 변곡점에서 가장 중요한 건 테스트다.

자이스(ZEISS)는 FIB-SEM(focused ion beam-scanning electron microscope) 솔루션으로 '자이스 크로스빔 레이저(ZEISS Crossbeam Laser)'를 추가했다고 5일 밝혔다. 이미 몇몇 주요 글로벌 전자 제조사가 자이스 크로스빔 레이저 시스템을 채택했다.

이 제품은 첨단 반도체 패키지 작업의 패키지 불량 분석(FA) 및 공정 최적화 속도를 기존 대비 수십분의 1로 줄인다. 펨토초 레이저가 속도를 높이는 역할을 하고, 갈륨이온(Ga+) 빔은 정확도를 향상시킨다. 주사전자현미경(SEM)을 통합, 나노급 해상도 이미지를 처리한다. 이 세 가지 부품을 모두 내장해 샘플 손상을 최소화하면서도 가장 빠른 단면 분석 솔루션을 제공한다.

 

자이스 크로스빔 레이저는 860 미크론의 깊이에 묻혀 있는 코퍼-필라(copper-pillar) 마이크로범프의 빠른 단면을 제공한다. 특히 고품질의 이미징과 함께 결과값을 제공하는데 1시간도 채 걸리지 않는다./자이스

자이스의 자이스 크로스빔 레이저는 독자적 아키텍처를 채택하고 있다. 구리 기둥(Cu-pillar) 솔더 범프와 실리콘관통전극(TSV)처럼 깊숙이 매립된 부분의 연결(Interconnect)은 물론 트랜지스터 형성(FEOL) 구조 및 배선(BEOL) 구조의 단면 확인에 걸리는 시간을 수 분으로 줄인다. 타 솔루션을 활용하면 수 시간에서 수 일까지 작업 시간이 소요된다고 회사는 설명했다.

또 진공 상태에서 아티팩트(Artifact)를 최소화할 뿐 아니라 샘플 품질도 일관성 있게 유지한다. 불량 분석 외 구조적 분석(SA), 구조 분석(CA), 리버스 엔지니어링, 집속이온빔 단층촬영(FIB Tomography) 및 투과전자현미경(TEM) 샘플 준비 등에 활용할 수 있다. 

불량 분석 작업은 패키지 공정 최적화와 패키지 수율 향상을 위한 첫 단계다. 보통은 샘플을 손상시키지 않는 비파괴 방식이 채택되는데, 자이스 엑스라디아 버사 3D 엑스레이 현미경(ZEISS Xradia Versa 3D X-ray microscope) 장비는 비파괴적으로 결함의 위치를 시각화하는 데 활용된다. 

이렇게 불량의 위치를 파악한 다음 파괴적인 물리적 불량 분석(PFA) 조치를 통해 불량의 근본 원인을 확인, 해결할 수 있다. PFA는 보통 기계적 단면 분석 기법이 활용되지만, TSV처럼 칩에 깊숙이 구멍이 뚫리거나 하는 구조는 파악하기 어렵고 결함 위치에 정확히 도달하는 것도 힘들다. 

뿐만 아니라 BEOL 공정에서 저유전율(low-k) 재료처럼 깨지기 쉬운 물질을 적용할 경우, 단면 작업으로 인해 아티팩트가 점점 더 많이 발생해 어떤 결함이 칩과 패키지 간 인터랙션에 의해 발생한 결함인지 판별하기가 어렵다.

플라즈마 FIB(PFIB)가 하나의 대안이 될 수 있지만, 이 접근법은 펨토초 레이저에 비해 1만배 느려 현장에서 요구하는 타임 프레임으로 0.5㎣ 이상의 절제(ablation) 물량을 소화할 수 없다. 펨토초 레이저는 최대 1㎟의 실리콘을 30분만에 처리한다.

또 PFIB는 고품질 TEM 샘플 준비에 필요한 분해능 성능이 떨어지며, 반도체 패키지에서 일반적인 탄소계 물질에 리본 아티팩트를 유발한다. 

독립형 레이저 시스템은 절제 시간은 빠르지만, 열에 영향을 받는 면적이 넓어 관심 영역에 대한 손상 가능성이 크고 아티팩트 제거를 위한 연마 시간이 늘어난다. 또 FIB-SEM과의 통합성이 부족해 FA 작업 속도가 더디고 효율성이 떨어질 뿐 아니라, 분석 작업 전에 공기중에 노출되면 산화의 위험성도 있다.

자이스의 자이스 크로스빔 레이저는 FIB 분해능(3nm 이하)을 사용해 정확한 국부 엔드 포인팅이 가능하다. 레이저 밀링 과정에서 발생하는 오염물을 메인 이미징 챔버로부터 분리함, 이미지 해상도를 최고 수준으로 유지하면서 유지관리 비용도 최소화하는 독립된 레이저 챔버를 갖췄다. FIB-SEM과 레이저 챔버 간에 진공을 유지하면서 챔버 간 손쉽게 샘플을 이동시킬 수 있다.

실리콘 카바이드와 유리 등을 포함한 대부분 물질들을 레이저 가공할 수 있다.

라즈 자미(Raj Jammy) 자이스 공정제어솔루션(PCS) 및 칼 자이스 SMT(Carl Zeiss SMT, Inc.)의 사장은 “이제는 한 곳에서 불량이 발생하면, 결함을 격리하고 분석하기가 예전보다 훨씬 더 어렵다”며 “자이스 크로스빔 레이저 제품군은 FA 엔지니어가 감당해야 하는 이러한 압박들을 경감해 줄 수 있도록 설계됐다"고 말했다.


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