반도체 패키지의 제조 공정 (1): 라미네이션 (Lamination)과 백그라인딩 (Back-grinding)

 

이번 글에서는 실제 패키지를 구현할 때 사용되는 제조 공정에 대하여 설명해 보도록 하겠습니다. 전체 공정을 모두 설명하기에는 어렵고 또 그것이 전체를 대변할 수는 없으니 대표적으로 통용되는 내용에 대하여 글을 써보려고 합니다.

 

 

 

라미네이션 (Lamination)

 라미네이션 공정이란 반도체 웨이퍼의 뒷면을 연삭 하는 백그라인딩 (Back Grinding) 공정을 하기 전에 웨이퍼 상면 (반도체 패턴이 형성되어 있는 면)에 물리적, 화학적 손상을 막기 위해 보호테이프 역할을 하는 백그라인딩 테이프를 붙이는 공정입니다.

 

라미네이션의 변화

 초기의 라미네이션 공정의 경우 단순한 웨이퍼에 백그라인딩 테이프를 붙이는 공정이었으나 패키지의 다양한 형태가 개발됨에 따라 라미네이션 공정도 복잡해지고 있습니다.

 

 플립 칩 패키지의 경우 웨이퍼 상면에 범프 (Bump)가 형성되어 있어 이럴 경우 일반적인 백그라인딩 테이프를 사용할 수 없습니다. 범프로 인하여 웨이퍼가 깨질 수 있기 때문입니다. 이러한 것을 방지하기 위하여 백그라인딩 테이프를 두껍고 탄성이 좋은 특수한 테이프를 사용하게 됩니다.

 

 테이프의 접착제 두께가 두꺼워지면서 자연적으로 접착력도 상승하게 되는데 이런 경우 일반적인 라미네이션 장비로는 작업이 불가능하게 됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 토시카루 (Toshikaru)와 테프론 (Teflon)을 입힌 치구를 사용하여 백그라인딩 테이프가 장비에 달라붙지 않고 정상적으로 작업할 수 있도록 합니다.

 

 최근 제품의 소형화 추세에 맞춰 50um 이하 반도체 칩 두께의 요구가 증가되면서 라미네이션 공정의 중요성 또한 대두되고 있습니다. 웨이퍼 두께를 50um 이하로 가공할 때 문제점은 웨이퍼 깨짐도 있겠지만 웨이퍼 휨에 의해 백그라인딩 공정에 많은 어려움이 발생한다는 것인데 이러한 문제점을 라미네이션 공정에서 해결하고 있습니다.

 

 라미네이션 공정의 장비

 라미네이션 공정에 사용되는 장비로는 보통 200nm용 웨이퍼 장비, 300nm 웨이퍼용 장비 2개 종류가 주로 사용되며 현재는 300nm용 장비가 주종을 이루고 있습니다. 향후 450nm 웨이퍼 개발에 따라 라미네이션 장비로 발전될 것으로 생각됩니다.

 

 현재 300nm 라미네이션 장비로 사용되는 모델 중 DR3000-II는 2개의 웨이퍼 투입부 (Loadport)를 사용하고 한 웨이퍼 투입부의 작업이 끝나면 다른 투입부에서 연속 작업할 수 있도록 되어 있습니다.

 

 백그라인딩 테이프를 자르는 커터 (Cutter)에만 온도 변수가 사용되는데 커터의 온도는 백그라인딩 테이프의 물성에 맞게 적용되며 테이프 모델별 최적 온도 변수는 다르게 적용되고 있습니다.

 

 이는 백그라인딩 테이프의 내열성에 따라 차이가 발생하며 조건이 맞지 않는 경우 백그라인딩 테이프가 커터에 눌어붙는 문제가 발생할 수 있습니다.

 

라미네이션 공정 물질: Lamination Tape

라미네이션 테이프가 갖추어야 할 특징은 다음과 같습니다.

 

• 쿠션 (Cusion) 작용
  - 미세입자 (Particle)이 존재하여도 백그라인딩 웨이퍼가 깨지지 않도록 어느 정도 쿠션을 가지고 있어야 합니다.
• Easy De-taping
  - 백그라인딩 완료 후 라미네이션 테이프를 제거할 때 쉽게 제거되어야 합니다.
• High Adhesion
  - 백그라인딩 시, Si dust가 패턴부로 유입되지 않도록 높은 접착 능력을 가지고 있어야 합니다.
• Low Contamination
  - 테이프를 De-taping 시 테이프의 접착제가 웨이퍼 표면에 남아 신뢰성 문제를 발생시키면 안 됩니다.
• Low thickness variation
  - 테이프 두께로 인한 웨이퍼 두께 편차가 최소화될 수 있도록 테이프 두께가 관리되어야 합니다.

 

 

백그라인딩 (Back grinding)

백그라인딩 공정은 규정되어 있는 제품별 패키지 높이에 맞추기 위해 웨이퍼 뒷면을 목표 두께만큼 연삭 하는 공정입니다.

공정 장비의 구조에 따라 2가지 공정 기법으로 나눌 수 있습니다.

 

1. 스탠드 얼론 타입 (Stand Alone Type Back Grinder)
   웨이퍼 뒷면 백그라인딩 공정을 완료한 후 별도의 리무브 장비 (Remover)에서 백그라인딩 테이프를 제거하고 웨이퍼 마운터 (Wafer Mounter)라는 별도 장비에서 다이싱 테이프 (Dicing tape)를 웨이퍼 뒷면에 붙이는 형태로 백그라인딩, 리무브, 웨이퍼 마운트 작업이 각각 독립적인 장비에서 이루어지게 됩니다.
   
    이와 같은 스탠드 얼론 타입은 웨이퍼를 위급하는 데 취약하여 주로 웨이퍼의 두께가 200um를 초과하는 제품에 주로 적용한다. 특히 웨이퍼 휨이 큰 300nm 웨이퍼가 증가함에 따라서 스탠드 얼론 타입 백그라인딩 장비의 경우 그 비중이 점점 줄어들고 있는 추세입니다.
   
   
2. 인라인 타입 (In-line type)
    라미네이션 공정을 제외한 백그라인딩, 리무브, 웨이퍼 마운트 공정을 한 장비에서 동시에 진행할 수 있는 장비 형태를 말합니다. 모든 세부 공정 진행 시 웨이퍼를 진공으로 잡아 진행되기 때문에 스탠드 얼론 타입 장비에서 가장 문제가 되었던 웨이퍼 이송으로 인한 불량을 해결할 수 있습니다.

 

백그라인딩 공정

• 리무브 (Remove)
  라미네이션 공정에서 웨이퍼 전면에 백그라인딩 테이프를 붙이고 백그라인딩 공정에서 원하는 두께만큼 뒷면이 연삭 된 웨이퍼는 리무브 공정에서 보호 역할이 끝난 백그라인딩 테이프를 제거하게 됩니다. 이때 제거 방법은 리무브용 테이프를 백그라인딩 테이프에 붙인 후 리무브용 테이프를 당기면서 백그라인딩 테이프가 제거됩니다.
• 웨이퍼 마운트 (Wafer mount)
  리무브 공정을 완료한 후 마운트 테이프를 웨이퍼 뒷면에 붙입니다. 이는 다음 웨이퍼 소 (Wafer saw) 공정에서 칩을 낱개로 분리 시 칩이 마운트 테이프에 접착되어 떨어져 나가지 않게 하기 위함입니다.

 

백그라인딩 순서

 백그라인딩 공정은 거친 연삭을 먼저 하고 미세 연삭을 진행하는 순으로 진행합니다. 상황에 따라서는 거친 연삭과 미세 연삭을 마친 후 초미세 연삭으로 연마하는 작업을 진행할 수도 있습니다.

 

 연마의 경우 웨이퍼의 거칠기를 좋게 하고 스트레스 층을 제거하고 웨이퍼의 강도를 강하게 하기 때문에 얇은 웨이퍼로 갈수록 필수 사항으로 적용되고 있습니다.

 

 웨이퍼 뒷면의 거칠기를 보면 거친 연상의 경우 20~40nm 정도이고 초미세 연삭의 경우 0.2~1.5nm 수준으로 측정됩니다.