반도체 웨이퍼 다이싱 공정

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Wafer Dicing

개요

반도체 웨이퍼 가공 공정에서 만들어진 웨이퍼를 일정 크기의 패턴의 개개의 칩으로 분리시키는 공정을 dicing 공정이라고 한다. 반도체 패키지 공정에서 wafer는 점점 박막화되어 가고 있다. 웨이퍼가 얇아질수록 가공 작업이 어려워지는데, 그 중 wafer의 두께에 가장 많은 영향을 받는 공정이 다이싱이다. 크게 블레이드 다이싱(과거 스크라이빙, 오늘날 소잉), 레이저 다이싱, 플라즈마 다이싱으로 구분할 수 있다.

Scribing

스크라이빙

과거에 쓰던 방법. 휠을 이용하여 웨이퍼 두께의 80 - 90 % 정도를 자른 후, 황동 막대 등을 이용하여 개개의 칩으로 분리시킨 후 특별히 제작된 팩에 담아 다음 공정으로 진행하는 스크라이빙 한 후 브레이킹하는 방법을 사용하였다. 오늘날은 sawing에 대체되었다,

Sawing

소잉

최근에는 웨이퍼를 테이프에 부착한 후 블레이드를 약 30000RPM 으로 회전시켜 웨이퍼의 두께를 100%까지 자르는 방법을 일반적으로 사용하고 있다. 블레이드에는 수 마이크로 직경의 다이아몬드 입자들이 붙어 있고(diamond tipped saw), 다이아몬드 입자와 실리콘 사이의 마찰력에 의해 기계적으로 웨이퍼를 절단하고 있다. 블레이드 두께는 약 15 um이다.

블레이드 측면, 앞면, 뒷면에 DI (de-ionized) water를 분사하면서 자른다. DI water는 sawing시 윤활유 역할 + 냉각수 역할을 하고 있다. laser dicing은 DI water가 필요없기 때문에 복잡한 장비를 사용하지 않아도 되지만, blade sawing에는 DI water가 필수적이기 때문에 복잡한 기구가 필요하다.

품질 문제

오늘날 다중칩 모듈 구조를 갖는 반도체 제품은 디바이스 두께가 45 um 이하이다. 다이싱 공정에서 미세한 기계적 결함만 발생하더라도 신뢰성에 문제가 발생한다.

chipping과 균열로 인해 Sawing을 할 때는 wafer 상의 dice 간에 추가적인 간격을 띄워놓아야 한다. 이 때문에 웨이퍼 면적이 낭비된다. chip이나 gouge의 발생을 제거하기 위해 상당한 세정을 해야 한다.

실리콘은 취성이 크다. 따라서 sawing 공정을 하면 쉽게 칩핑 손상이 발생한다. sawing 속도를 감속하면 칩핑 손상은 줄어들지만 생산성이 저하되기 때문에 원가 부담이 생긴다. 하지만 sawing 속도가 너무 빠르면 다이싱 공정에서 기계적 결함이 발생한다. 따라서 최적치를 찾는 것이 어려운 과제이다.

수명이 완료된 블레이드 (파손된 블레이드)는 웨이퍼 표면에 scratch와 표면 chipping을 발생시킬 가능성이 있다. 1990년부터는 BBD sensor (Blade Broken Detector)를 개발하여, 파손된 블레이드나 심하게 닳은 블레이드를 감지하고 이런 설비가 sawing 작업을 하지 못하도록 하였다. 그러자 블레이드에 의한 품질문제가 발생하지 않게 되었다.

1980년대까지는 Cutting height를 제어하는 것, Chunk table과 Blade의 떨어진 정도를 측정하는 것이 골칫거리였다. blade height에 오차가 있으면 품질 불량이 생긴다. 1990년 즈음 blade setup 방식이 개발되어, 두 장치가 물리적으로 닿으면 전기가 통하면서 전압이 변화해 닿는 것을 감지할 수 있게 하였다. 하지만 직접적으로 닿으면chunk table에 자꾸 홈이 파이게 되므로 blade height를 정확하게 측정할 수 없게 된다. 그래서 2013년 현재에는 물리적 직접 접촉 없이도 측정할 수 있는 방식을 쓰고 있다. 그 중 하나가 NCS (Non Contact Setup)이다. 블레이드 대신 보조 센서가 chunk table에 닿아서 높이를 측정한다.

블레이드를 교체할 때마다 작업성능이 저하된다. 2006년부터는 일본 디스코 사가 Auto Blade Changer (ABC)를 개발하여, 삼성전자는 그것을 채택하였다. 블레이드 교체가 품질에 미치는 영향을 최소화하기 위해 블레이드 수명이 완료되었을 때 자동으로 블레이드가 교체되는 시스템이다.

2013년 현재 miss-cutting을 방지할 수 있는 기술은 아직 부족한 상태다.

미래

레이저 공정을 하면 어떨까... 하고 생각하기 쉽지만, 반도체 산업의 경우 생산 라인의 감가상각 기간이 짧기 때문에 1년 365일 하루 24시간 라인을 풀 가동하는 것이 현실이다. 레이저는 장시간을 요하지만 기계적인 sawing은 빠르기 때문에, 2016년 현재에도 기계적 결함이 많더라도 sawing을 택하는 경우가 많다. 이런 문제 때문에 dicing이 패키지 공정 중 병목현상이 일어나는 구간이지만 마땅한 해결책이 없다.

플라즈마 다이싱의 경우에도 비용이 막대하다는 단점이 있다. 또 금속 (예: 구리)의 플라즈마 처리는 제조 문제, 수율 제한을 생성할 수 있다.

레이저 다이싱

100um 이상의 두꺼운 wafer에 대해서는 blade sawing보다 품질, 작업성능이 낮다는 단점이 있다.

Stealth laser dicing

SD layer가 웨이퍼 내부에서만 형성되므로, expanding tape를 사방으로 벌려주는 장치가 있어야만 chip을 개별로 분리할 수 있다. 그럼에도 불구하고 50um 이하의 얇은 웨이퍼를 자를 때 작업 속도와 품질이 높아 전망이 좋다. 웨이퍼 내부를 중심으로 하여 절단하므로 먼지가 최소화되고 세정이 필요없어 효율성이 높기 때문이다.

2012년까지 스텔스 다이싱 레이저 장비는 일본 기업(디스코 외 1사) 2곳이 독점하고 있었다. 그러던 중, 삼성반도체는 협력업체 '이오테크닉스'와 2007년부터 15억원을 들여 5년간(2007~2012) 연구 끝에 이 장비를 개발하였다.