한 장씩 하던 불량 반도체 칩 검사, 16개 한꺼번에…

[아이뉴스24 정종오 기자] 반도체가 고집적화 되면서 웨이퍼 검사의 중요성도 점점 커지고 있다. 한 장씩 불량 반도체 칩을 검사하던 시스템을 바꿔 한꺼번에 16장을 할 수 있는 시스템이 개발됐다. 시간과 비용을 획기적으로 줄였다.

반도체 공정은 웨이퍼를 제조하고 회로를 새기는 전 공정, 칩을 패키징하는 후 공정으로 나뉜다. 전 공정과 후 공정 사이에 웨이퍼 테스트를 거친다.

전 공정에서 만들어진 불량 칩이 패키징 되는 것을 사전 선별해 칩의 특성과 품질을 검증함으로써 반도체 생산성을 높이기 위한 필수 공정이다.

웨이퍼 계측(Probing)과 검사는 나노미터 단위의 결함을 잡아내야 하는 공정의 특성상 한 치의 오차도 허용되지 않는다. 이 때문에 초기 불량을 잡아내는 것이 중요하다. 이를 위해 진행하는 웨이퍼 번인(Burn-in, 고온에서 전압을 가해 실제 사용했을 때 발생할 수 있는 불량을 미리 예측하는 공정) 과정에서 칩의 집적도에 따라 2~12시간이 걸려 병목 현상이 발생한다.

한국생산기술연구원(원장 이낙규) 디지털전환연구부문 남경태 박사 연구팀이 산학연 융합연구를 통해 동시에 16장의 웨이퍼 검사가 가능한 ‘고속 멀티 프로빙 웨이퍼 검사 시스템’을 개발했다.

연구팀은 한 번에 한 장의 웨이퍼만 검사할 수 있었던 기존 싱글 프로빙 장비의 한계를 뛰어넘어 동시에 16장의 웨이퍼를 검사할 수 있는 시스템을 개발해 단위 시간 당 16배 많은 처리량을 구현할 수 있게 됐다.

우리나라는 반도체 웨이퍼 검사 장비의 75% 이상을 해외 제품에 의존하고 있어 장비 국산화에도 청신호를 켰다. 웨이퍼 검사는 프로버(Prober) 장비의 척(Chuck) 위에 웨이퍼를 위치시키고 프로브 카드(Probe Card)와 접촉시켜 불량품을 선별해 내는 방식으로 진행된다.

프로브 카드에 장착된 미세한 핀들이 웨이퍼와 접촉해 전기신호를 보 내면 되돌아오는 신호를 분석해 양품과 불량품을 판별하는 구조이다.

아주 작은 반도체 칩 위에 마이크로미터 크기의 핀 수만 개를 접촉시키기 위해서는 고도의 기술력이 필요하다. 시간이 제조비용 상승으로 이어지기 때문에 테스트 검사 시간과 항목을 줄이는 것이 기술력의 핵심으로 꼽힌다.

새로운 검사 시스템의 핵심은 일체형 카트리지, 이송로봇, 멀티 챔버 설계·제작과 이를 구동할 수 있는 통합 제어시스템 개발이다. 연구팀은 웨이퍼 테스트의 주요 부품인 프로브 척, 웨이퍼, 프로브 카드를 하나의 프레임 안에 패키지화한 일체형 카트리지를 개발했다.

이어 일체형 카트리지를 16개 장착할 수 있는 멀티 챔버방(Chamber Channel)을 제작했다. 수백 킬로그램에 달하는 고 중량의 카트리지를 정해진 챔버방까지 빠르고 안정적으로 전달할 수 있도록 이송로봇도 함께 개발했다.

남경태 박사는 “고정밀·고집적화로 반도체 패러다임이 바뀌는 추세에 맞춰 웨이퍼 검사 시스템도 2세대 전환을 서둘러야 할 시점”이라며 “개발된 검사 시스템을 현장에 적용할 경우 기존 싱글 프로버 16대 분량의 검사가 가능해져 생산성과 공간 활용도를 높이면서도 비용을 획기적으로 줄일 수 있다”고 말했다.