A 웨이퍼반도체 칩이 되려면 세 가지 변화를 거쳐야 합니다. 첫째, 블록 형태의 잉곳을 웨이퍼로 절단합니다. 둘째, 앞선 공정을 통해 웨이퍼 앞면에 트랜지스터를 새겨 넣습니다. 마지막으로, 패키징, 즉 절단 공정을 통해 트랜지스터를 웨이퍼에 고정합니다.웨이퍼이렇게 해서 완전한 반도체 칩이 만들어집니다. 패키징 공정은 후공정에 속한다는 것을 알 수 있습니다. 이 공정에서 웨이퍼는 여러 개의 육면체 모양의 개별 칩으로 절단됩니다. 이렇게 독립적인 칩을 얻는 과정을 "분할(Singulation)"이라고 하며, 웨이퍼 보드를 독립적인 직육면체로 절단하는 과정을 "웨이퍼 커팅(Die Sawing)"이라고 합니다. 최근 반도체 집적화가 향상됨에 따라 웨이퍼의 두께가 얇아지고 있습니다.웨이퍼점점 더 얇아지고 있는데, 이는 당연히 "개별화" 과정에 많은 어려움을 초래합니다.
웨이퍼 다이싱의 진화
프런트엔드 및 백엔드 프로세스는 다양한 방식으로 상호 작용하며 발전해 왔습니다. 백엔드 프로세스의 발전은 다이에서 분리된 육면체 모양의 작은 칩의 구조와 위치를 결정할 수 있습니다.웨이퍼웨이퍼 상의 패드(전기 연결 경로)의 구조와 위치뿐만 아니라, 그 반대로 프런트엔드 공정의 발전은 공정과 방법을 변화시켰습니다.웨이퍼후공정에서는 백씬닝(back thinning)과 다이 다이싱(die dicing)이 사용됩니다. 따라서 포장의 외관이 점점 더 정교해짐에 따라 후공정에 큰 영향을 미칠 것입니다. 또한 포장 외관의 변화에 따라 다이싱의 횟수, 절차 및 유형도 그에 맞춰 변경될 것입니다.
스크라이브 다이싱
초창기에는 외부 힘을 가해 "부수는" 방식이 재료를 나눌 수 있는 유일한 주사위 놀이 방법이었다.웨이퍼육면체 금형을 사용하여 가공하는 방법도 있지만, 이 방법은 작은 칩의 가장자리가 깨지거나 금이 가는 단점이 있습니다. 또한 금속 표면의 버(burr)가 완전히 제거되지 않아 절단면이 매우 거칠어집니다.
이 문제를 해결하기 위해 "스크라이빙" 절삭 방식이 탄생했는데, 이는 "파괴"하기 전에 표면을 미리 다듬는 방식입니다.웨이퍼약 절반 깊이로 절단됩니다. "스크라이빙"은 이름에서 알 수 있듯이 임펠러를 사용하여 웨이퍼 앞면을 미리 톱질하듯(반쯤) 절단하는 것을 의미합니다. 초기에는 6인치 미만의 웨이퍼 대부분이 칩 사이를 먼저 "슬라이스"한 다음 "브레이킹"하는 이 절단 방식을 사용했습니다.
칼날로 자르기 또는 칼날로 톱질하기
‘스크라이빙’ 절삭 방식은 점차 ‘블레이드 다이싱’ 절삭(또는 톱질) 방식으로 발전했는데, 이는 칼날을 사용하여 두세 번 연속으로 절삭하는 방식입니다. ‘블레이드’ 절삭 방식은 ‘스크라이빙’ 후 ‘분쇄’ 과정에서 작은 조각이 떨어져 나가는 현상을 보완하고, ‘분쇄’ 과정에서 작은 조각을 보호할 수 있습니다. ‘블레이드’ 절삭 방식은 기존의 ‘다이싱’ 절삭 방식과 달리, 한 번의 ‘분쇄’가 아닌 칼날을 사용하여 다시 절삭하는 것이 특징입니다. 따라서 ‘단계별 다이싱’ 방식이라고도 불립니다.
절단 공정 중 외부 손상으로부터 웨이퍼를 보호하기 위해, 안전한 "분리"를 위해 웨이퍼에 미리 보호 필름을 부착합니다. "백 그라인딩" 공정에서는 필름이 웨이퍼 앞면에 부착되지만, "블레이드" 절단에서는 반대로 웨이퍼 뒷면에 부착됩니다. 다이 본딩(분리된 칩들을 PCB 또는 고정 프레임에 고정하는 공정) 시, 뒷면에 부착된 필름은 자동으로 떨어져 나갑니다. 절단 시 마찰이 크기 때문에 모든 방향에서 증류수를 지속적으로 분사해야 합니다. 또한, 임펠러에 다이아몬드 입자를 부착하여 절단면을 더욱 정밀하게 가공할 수 있습니다. 이때, 절단면의 비율(블레이드 두께:홈 폭)은 균일해야 하며, 다이싱 홈의 폭을 초과해서는 안 됩니다.
오랫동안 톱질은 가장 널리 사용되는 전통적인 절단 방식이었습니다. 톱질의 가장 큰 장점은 짧은 시간 안에 많은 웨이퍼를 절단할 수 있다는 것입니다. 그러나 슬라이스 이송 속도를 크게 높이면 칩렛 가장자리 박리 가능성이 높아집니다. 따라서 임펠러 회전수는 분당 약 3만회로 제어해야 합니다. 이처럼 반도체 공정 기술은 오랜 기간의 축적과 시행착오를 통해 천천히 축적된 비밀과 같습니다(다음 섹션인 공융 접합에서 절단 및 DAF에 대한 내용을 다룰 예정입니다).
분쇄 전 깍둑썰기(DBG): 절단 순서가 제조 방식을 변경했습니다.
8인치 직경의 웨이퍼를 블레이드 커팅할 경우, 칩렛 가장자리의 박리나 균열에 대한 걱정은 없습니다. 하지만 웨이퍼 직경이 21인치로 커지고 두께가 극도로 얇아지면 박리 및 균열 현상이 다시 나타나기 시작합니다. 커팅 과정에서 웨이퍼에 가해지는 물리적 충격을 획기적으로 줄이기 위해, 기존의 커팅 방식을 DBG(Dicing Before Grinding) 방식으로 대체했습니다. 기존의 연속적인 "블레이드" 커팅 방식과 달리, DBG는 먼저 "블레이드" 커팅을 수행한 후, 칩이 분할될 때까지 뒷면을 연속적으로 얇게 만들어 웨이퍼 두께를 점진적으로 감소시킵니다. DBG는 기존 "블레이드" 커팅 방식의 업그레이드 버전이라고 할 수 있습니다. 두 번째 커팅 시 발생하는 충격을 줄일 수 있기 때문에, DBG 방식은 "웨이퍼 레벨 패키징" 분야에서 빠르게 보급되고 있습니다.
레이저 다이싱
웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지(WLCSP) 공정은 주로 레이저 절단을 이용합니다. 레이저 절단은 박리 및 균열과 같은 현상을 줄여 더 나은 품질의 칩을 얻을 수 있지만, 웨이퍼 두께가 100μm를 초과하면 생산성이 크게 저하됩니다. 따라서 주로 100μm 미만의 얇은 웨이퍼에 사용됩니다. 레이저 절단은 웨이퍼의 스크라이브 홈에 고에너지 레이저를 조사하여 실리콘을 절단하는 방식입니다. 그러나 기존 레이저 절단 방식(Conventional Laser)을 사용할 경우 웨이퍼 표면에 보호 필름을 미리 도포해야 합니다. 웨이퍼 표면을 가열하거나 레이저를 조사하면 이러한 물리적 접촉으로 인해 웨이퍼 표면에 홈이 생기고 절단된 실리콘 조각이 표면에 달라붙게 됩니다. 따라서 기존 레이저 절단 방식 역시 웨이퍼 표면을 직접 절단하는 방식이며, 이러한 점에서 "칼날"을 이용한 절단 방식과 유사합니다.
스텔스 다이싱(SD)은 레이저 에너지로 웨이퍼 내부를 먼저 절단한 후, 웨이퍼 뒷면에 부착된 테이프에 외부 압력을 가하여 테이프를 끊어 칩을 분리하는 방식입니다. 뒷면의 테이프에 압력이 가해지면 테이프가 늘어나면서 웨이퍼가 순간적으로 위로 들리게 되어 칩이 분리됩니다. SD 방식은 기존 레이저 절단 방식보다 다음과 같은 장점이 있습니다. 첫째, 실리콘 파편이 발생하지 않습니다. 둘째, 절단 폭(커프: 스크라이브 홈의 폭)이 좁아 더 많은 칩을 얻을 수 있습니다. 또한, SD 방식은 박리 및 균열 현상을 크게 줄여 절단 품질을 크게 향상시킵니다. 따라서 SD 방식은 향후 가장 널리 사용되는 기술이 될 가능성이 매우 높습니다.
플라즈마 다이싱
플라즈마 절단은 최근 개발된 기술로, 제조 공정(팹) 중 플라즈마 에칭을 이용하여 절단하는 방식입니다. 플라즈마 절단은 액체 대신 반기체 물질을 사용하기 때문에 환경에 미치는 영향이 비교적 적습니다. 또한 웨이퍼 전체를 한 번에 절단하는 방식을 채택하여 절단 속도가 매우 빠릅니다. 그러나 플라즈마 절단은 화학 반응 가스를 원료로 사용하고 에칭 공정이 매우 복잡하여 공정 흐름이 다소 까다롭습니다. 하지만 블레이드 절단이나 레이저 절단과 비교했을 때, 플라즈마 절단은 웨이퍼 표면에 손상을 주지 않아 불량률을 낮추고 더 많은 칩을 얻을 수 있다는 장점이 있습니다.
최근 웨이퍼 두께가 30μm까지 얇아지고 구리(Cu)나 저유전율(Low-k) 소재가 많이 사용됨에 따라, 버(burr) 발생을 방지하기 위해 플라즈마 절단 방식이 더욱 선호되고 있습니다. 플라즈마 절단 기술은 끊임없이 발전하고 있으며, 머지않아 에칭 시 특수 마스크가 필요 없어지는 날이 올 것이라고 생각합니다. 이는 플라즈마 절단 기술의 주요 발전 방향 중 하나입니다.
웨이퍼 두께가 100μm에서 50μm, 그리고 30μm로 지속적으로 감소함에 따라, 개별 칩을 얻기 위한 절단 방식 또한 기존의 브레이킹 및 블레이드 절단에서 레이저 절단, 플라즈마 절단으로 발전해 왔습니다. 절단 기술의 성숙으로 인해 절단 공정 자체의 생산 비용은 증가했지만, 반도체 칩 절단 시 흔히 발생하는 박리 및 균열과 같은 바람직하지 않은 현상을 크게 줄이고 웨이퍼 단위 면적당 칩 생산량을 늘림으로써 칩 하나당 생산 비용은 하락 추세를 보였습니다. 물론 웨이퍼 단위 면적당 칩 생산량 증가는 다이싱 스트리트의 폭 감소와 밀접한 관련이 있습니다. 플라즈마 절단을 사용하면 블레이드 절단 방식보다 약 20% 더 많은 칩을 얻을 수 있는데, 이는 플라즈마 절단을 선택하는 주요 이유 중 하나입니다. 웨이퍼, 칩 형상, 패키징 방식의 발전과 변화에 따라 웨이퍼 가공 기술, DBG(Discrete Blade Gradient) 등 다양한 절단 공정이 새롭게 등장하고 있습니다.
게시 시간: 2024년 10월 10일