웨이퍼절단 공정은 전력 반도체 생산에서 중요한 단계 중 하나입니다. 이 단계는 반도체 웨이퍼에서 개별 집적 회로 또는 칩을 정확하게 분리하기 위해 설계되었습니다.
열쇠웨이퍼절단이란 개별 칩을 분리하는 동시에 칩에 내장된 섬세한 구조와 회로를 손상시키지 않도록 하는 것을 의미합니다.웨이퍼손상되지 않습니다. 절단 공정의 성공 여부는 칩의 분리 품질과 수율에 영향을 미칠 뿐만 아니라 전체 생산 공정의 효율성과도 직접적인 관련이 있습니다.
▲일반적인 웨이퍼 절단 방식 3가지 | 출처: KLA CHINA
현재 일반적인웨이퍼절단 공정은 다음과 같이 나뉩니다.
칼날 절단: 비용이 저렴하며, 주로 두꺼운 재료 절단에 사용됩니다.웨이퍼
레이저 절단: 비용이 많이 들며, 일반적으로 두께가 30μm 이상인 웨이퍼에 사용됩니다.
플라즈마 절단: 비용이 높고 제약이 많으며, 일반적으로 두께가 30μm 미만인 웨이퍼에 사용됩니다.
기계식 칼날 절단
블레이드 커팅은 고속으로 회전하는 연삭 디스크(블레이드)를 이용하여 스크라이브 라인을 따라 절단하는 공정입니다. 블레이드는 일반적으로 연마재 또는 초박형 다이아몬드 재질로 만들어지며, 실리콘 웨이퍼를 슬라이싱하거나 홈을 파는 데 적합합니다. 그러나 기계적 절단 방식인 블레이드 커팅은 물리적인 재료 제거에 의존하기 때문에 칩 가장자리에 깨짐이나 균열이 발생하기 쉽고, 이는 제품 품질 저하 및 수율 감소로 이어질 수 있습니다.
기계톱질 공정으로 생산되는 최종 제품의 품질은 절단 속도, 날 두께, 날 직경 및 날 회전 속도를 포함한 여러 매개변수의 영향을 받습니다.
완전 절단은 가장 기본적인 칼날 절단 방식으로, 고정된 재료(예: 슬라이싱 테이프)까지 절단하여 공작물을 완전히 절단하는 방식입니다.
▲ 기계식 칼날 절단 - 완전 절단 | 이미지 출처 네트워크
하프컷은 공작물의 중앙까지 절삭하여 홈을 만드는 가공 방법입니다. 홈 가공을 연속적으로 수행하면 빗살형 및 바늘형 끝단을 제작할 수 있습니다.
▲ 기계식 칼날로 반쯤 자르는 모습 | 이미지 출처: 네트워크
이중 절단은 두 개의 축을 가진 이중 절단 톱을 사용하여 두 개의 생산 라인에서 동시에 전체 또는 절반 절단을 수행하는 가공 방식입니다. 이중 절단 톱은 두 개의 축을 가지고 있으며, 이 공정을 통해 높은 생산량을 달성할 수 있습니다.
▲ 기계식 칼날 절단 - 이중 절단 | 이미지 출처: 네트워크
스텝컷 방식은 두 개의 스핀들이 있는 이중 슬라이싱 톱을 사용하여 두 단계로 전체 또는 절반 절단을 수행합니다. 웨이퍼 표면의 배선층 절단에 최적화된 날과 나머지 실리콘 단결정 절단에 최적화된 날을 사용하여 고품질 공정을 구현합니다.
▲ 기계식 블레이드 절단 - 계단식 절단 | 이미지 출처 네트워크
경사 절단은 V자형 날이 있는 블레이드를 사용하여 단계 절단 공정 중 웨이퍼를 두 단계로 절단하는 가공 방법입니다. 절단 공정 중에 모따기 공정이 수행되므로 높은 금형 강도와 고품질 가공이 가능합니다.
▲ 기계식 칼날 절단 - 경사 절단 | 이미지 출처 네트워크
레이저 절단
레이저 절단은 반도체 웨이퍼에서 개별 칩을 분리하기 위해 집중된 레이저 빔을 사용하는 비접촉식 웨이퍼 절단 기술입니다. 고에너지 레이저 빔은 웨이퍼 표면에 집중되어 삭마 또는 열분해 과정을 통해 미리 정해진 절단선을 따라 재료를 증발시키거나 제거합니다.
▲ 레이저 절단 도면 | 이미지 출처: KLA CHINA
현재 널리 사용되는 레이저 종류에는 자외선 레이저, 적외선 레이저, 펨토초 레이저 등이 있습니다. 이 중 자외선 레이저는 높은 광자 에너지로 인해 정밀한 저온 어블레이션에 자주 사용되며, 열영향부가 매우 작아 웨이퍼 및 주변 칩의 열 손상 위험을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 적외선 레이저는 재료 깊숙이 침투할 수 있어 두꺼운 웨이퍼에 더 적합합니다. 펨토초 레이저는 초단파 펄스를 이용하여 열 전달을 거의 무시할 수 있을 정도로 최소화하면서 고정밀의 효율적인 재료 제거를 가능하게 합니다.
레이저 절단은 기존 블레이드 절단 방식에 비해 여러 가지 장점이 있습니다. 첫째, 비접촉식 공정이기 때문에 웨이퍼에 물리적인 압력을 가할 필요가 없어 기계식 절단에서 흔히 발생하는 파손 및 균열 문제를 줄여줍니다. 이러한 특징 덕분에 레이저 절단은 특히 복잡한 구조나 미세한 형상을 가진 깨지기 쉬운 웨이퍼나 초박형 웨이퍼 가공에 매우 적합합니다.
▲ 레이저 절단 도면 | 이미지 출처 네트워크
또한, 레이저 절단의 높은 정밀도와 정확도는 레이저 빔을 매우 작은 스폿 크기로 집속하고, 복잡한 절단 패턴을 지원하며, 칩 간 최소 간격을 구현할 수 있게 해줍니다. 이러한 특징은 소형화가 진행되는 첨단 반도체 소자에 특히 중요합니다.
하지만 레이저 절단에도 몇 가지 한계가 있습니다. 칼날 절단에 비해 속도가 느리고 비용이 많이 드는데, 특히 대량 생산 시에는 더욱 그렇습니다. 또한, 특정 재료나 두께의 경우 효율적인 재료 제거와 열영향부 최소화를 위해 적절한 레이저 종류를 선택하고 매개변수를 최적화하는 것이 어려울 수 있습니다.
레이저 절삭 절단
레이저 어블레이션 절단 시, 레이저 빔은 웨이퍼 표면의 특정 위치에 정밀하게 초점을 맞추고, 미리 정해진 절단 패턴에 따라 레이저 에너지를 전달하여 웨이퍼를 바닥까지 점진적으로 절단합니다. 절단 요구 사항에 따라 펄스 레이저 또는 연속파 레이저를 사용하여 이 작업을 수행합니다. 레이저로 인한 과도한 국부적 발열로 웨이퍼가 손상되는 것을 방지하기 위해 냉각수를 사용하여 웨이퍼를 냉각하고 열 손상으로부터 보호합니다. 동시에 냉각수는 절단 과정에서 발생하는 입자를 효과적으로 제거하여 오염을 방지하고 절단 품질을 보장합니다.
레이저 무차단
레이저를 집중시켜 웨이퍼 본체에 열을 전달하는 방식도 있는데, 이를 "보이지 않는 레이저 절단"이라고 합니다. 이 방식에서는 레이저의 열이 스크라이브 레인에 틈을 만듭니다. 이렇게 약해진 부분은 웨이퍼를 늘릴 때 파손되면서 유사한 관통 효과를 얻습니다.
▲레이저 무차단 주요 공정
무삭제 절단 공정은 레이저가 표면에서 흡수되는 레이저 어블레이션과는 달리, 내부 흡수 레이저 공정입니다. 무삭제 절단에서는 웨이퍼 기판 재료에 반투명한 파장의 레이저 빔 에너지가 사용됩니다. 이 공정은 크게 레이저 기반 공정과 기계적 분리 공정의 두 단계로 나뉩니다.
▲레이저 빔은 웨이퍼 표면 아래에 구멍을 뚫고, 앞면과 뒷면은 영향을 받지 않습니다. | 이미지 출처: 네트워크
첫 번째 단계에서 레이저 빔이 웨이퍼를 스캔하면서 웨이퍼 내부의 특정 지점에 초점을 맞춰 균열 발생 지점을 형성합니다. 빔 에너지로 인해 웨이퍼 내부에 일련의 균열이 발생하는데, 이 균열들은 아직 웨이퍼 전체 두께를 관통하여 상단 및 하단 표면까지 확장되지는 않습니다.
▲칼날 절단 방식과 레이저 비가시 절단 방식으로 절단한 100μm 두께 실리콘 웨이퍼 비교 | 이미지 출처 네트워크
두 번째 단계에서는 웨이퍼 하단의 칩 테이프가 물리적으로 팽창하면서 첫 번째 단계의 레이저 공정에서 생성된 웨이퍼 내부의 균열에 인장 응력이 발생합니다. 이 응력으로 인해 균열이 웨이퍼의 상하 표면으로 수직으로 확장되고, 이러한 절단점을 따라 웨이퍼가 칩으로 분리됩니다. 비가시 절단 방식에서는 웨이퍼를 칩으로 쉽게 분리하기 위해 하프 커팅 또는 바텀사이드 하프 커팅이 일반적으로 사용됩니다.
레이저 절삭에 비해 보이지 않는 레이저 절단의 주요 장점:
• 냉각수 불필요
• 잔여물이 발생하지 않음
• 민감한 회로를 손상시킬 수 있는 열영향부가 없습니다.
플라즈마 절단
플라즈마 절단(플라즈마 에칭 또는 건식 에칭이라고도 함)은 반응성 이온 에칭(RIE) 또는 심층 반응성 이온 에칭(DRIE)을 사용하여 반도체 웨이퍼에서 개별 칩을 분리하는 첨단 웨이퍼 절단 기술입니다. 이 기술은 플라즈마를 이용하여 미리 정해진 절단선을 따라 화학적으로 재료를 제거함으로써 절단을 구현합니다.
플라즈마 절단 공정에서는 반도체 웨이퍼를 진공 챔버에 넣고, 제어된 반응성 가스 혼합물을 챔버에 주입한 다음, 전기장을 가하여 반응성 이온과 라디칼이 고농도로 포함된 플라즈마를 생성합니다. 이러한 반응성 물질은 웨이퍼 재료와 상호 작용하여 화학 반응과 물리적 스퍼터링의 조합을 통해 스크라이브 라인을 따라 웨이퍼 재료를 선택적으로 제거합니다.
플라즈마 절단의 주요 장점은 웨이퍼와 칩에 가해지는 기계적 스트레스를 줄이고 물리적 접촉으로 인한 손상 가능성을 낮춘다는 것입니다. 그러나 이 공정은 다른 방법에 비해 복잡하고 시간이 많이 소요되며, 특히 두꺼운 웨이퍼나 에칭 저항성이 높은 재료를 다룰 때는 더욱 그러합니다. 따라서 대량 생산에서의 적용은 제한적입니다.
▲이미지 출처 네트워크
반도체 제조에서 웨이퍼 절단 방법은 웨이퍼 재질 특성, 칩 크기 및 형상, 요구되는 정밀도 및 정확도, 전체 생산 비용 및 효율성 등 여러 요소를 고려하여 선택해야 합니다.
게시 시간: 2024년 9월 20일