반도체 패키지의 제조 공정 (2): 웨이퍼 소 (Wafer Saw), 플라즈마클리닝 (Plasma cleaning)

반도체 패키지 공정 중에서도 아주 기본적인 공정에 대해서 정리하고 있습니다. 해당 글을 읽어보시면 실제 업무 중에서 어떤 단어를 어떻게 사용하는지 이해하는데 도움이 되실 거라고 생각합니다.

 

이번 글에서는 웨이퍼를 칩으로 잘라내는 공정인 웨이퍼 소 (Wafer Saw) 공정과 플라즈마 클리닝 (Plasma Cleaning)에 대해서 써보려고 합니다.

 

 

 

웨이퍼 소잉 (Wafer Sawing)

웨이퍼 소 공정이란?

웨이퍼 소 공정이란 웨이퍼 상면에 있는 소잉 라인 (또는 스크라이브 라인)을 따라서 다이아몬드 블레이드로 절삭하면서 개별 반도체 칩으로 분리가 가능하게 만드는 공정입니다.

 

웨이퍼 소 공정의 순서는 아래와 같습니다.

1. 웨이퍼를 소잉 장비 내 대기 장소에 안착시킴
2. 웨이퍼 이송암 (Transfer Arm)을 통해 작업 테이블로 이동
3. 웨이퍼 절삭 (Wafer Saw)
4. 웨이퍼 이송암 움직임
5. 웨이퍼 건조
6. 웨이퍼 배출

 

웨이퍼 소 절삭 방식

 소잉 (Sawing) 방식에는 크게 3가지의 절삭 방식이 있습니다. 여러 방식 중 작업하는 제품의 특성에 맞게 적절히 선택하여 적용하게 됩니다.

 

• Full Cut: 일반적으로 널리 적용되는 방식으로 생산성이 우수하나 Wafer backside chipping 개선에 한계가 있음
• Step Cut: Heavy Metalized wafer에 주로 사용하며 Wafer Top & Backside chipping에 우수하므로 Backside chipping이 크게 발생하는 웨이퍼에 주로 사용하는 방식. Dual spindle M/C이 요구되며 생산성이 떨어지는 편
• Bevel Cut: 3가지 방식 중 Wafer Top side chipping 개선에 가장 효율적인 방식이나 Bevel blade 장비 자체가 고가이며 생산성이 낮은 편

 

웨이퍼 소 공정의 주요 공정 변수

웨이퍼 소 공정을 진행하면서 공정 결과에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 웨이퍼 이송 속도 (Wafer Feeding Speed), 블레이드 높이 (Blade Hieght), 블레이드 회전수 (Blade Rotation) 등이 있습니다.

 

우선 웨이퍼 이송 속도는 웨이퍼가 절삭되는 속도를 말하는데요. 블레이드 높이의 경우 블레이드 날 (Exposure)이 웨이퍼 안착 테이블 기준으로 얼마나 떨어져 있는가, 즉 잘리는 깊이를 뜻하게 됩니다.

 

블레이드 회전 속도는 블레이드가 분당 얼마나 빠른 속도로 회전하는지를 RPM으로 나타내는 공정 변수입니다.

 

이 중 블레이드 이송 속도는 생산성에 가장 큰 인자이며, 주요 3가지 변수의 조합에 의해서 그다음 공정인 다이 접착 공정 (Die Attach) 시 픽업 (Pick-up) 성, 다이싱 테이프 잔사 (Tape Burr), 칩 가장자리 깨짐 (Chipping), 칩 깨짐 (Crack) 등의 작업성 및 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

 여기서 웨이퍼 소 공정 변수의 상관관계를 DOE (Design of Experiments)를 통해 살펴보면 WBL 테이프 잔사는 웨이퍼 이동 속도가 느리고 블레이드 높이가 높을수록 양호한 편이며,  칩 가장자리 깨짐은 블레이드 회전 수와 웨이퍼 이송 속도가 높을수록 양호합니다.

 

 즉 웨이퍼 소 공정 변수의 경우 WBL 테이프 잔사, 칩 가장자리 깨짐, 다이 칩 접착 공정의 칙 픽업성 등에 종합적으로 영향을 미치므로 종합적인 검토가 필요합니다.

 

 

플라즈마 클리닝 (Plasma Cleaning)

 

플라즈마 클리닝 (Plasma Cleaning)이란 진공 속에서 Ar과 N2 기체에 고전압을 가하여 발생되는 플라즈마를 매질로 하여 반도체 칩, 반도체 기판의 표면에 증착된 유기물을 물리적으로 분리하여 제거하는 일종의 표면 에칭 (Surface etching) 공정입니다.

 

플라즈마 클리닝 (Plasma Cleaning)의 개념

 챔버 (Chamber) 내부를 진공 상태로 만든 후 Ar 가스를 흘려주고 RF (Radio Frequency)를 켜주면 가스가 이온화되면서 이온화된 전자가 PCB 표면을 때려 그 충격으로 인해 PCB 표면의 유기물 (=불순물)들이 제거됩니다.

 

플라즈마 클리닝 공정 결과의 품질 확인은 접촉각 (Surface angle) 측정으로 알 수 있습니다. 유기물의 제거가 잘 된 표면일수록 표면에 맺힌 물방울의 접촉각이 더 커지게 됩니다.

 

플라즈마 (Plasma) 란?

 물질의 상태 (고체, 액체, 기체) 중 가장 낮은 에너지 상태는 고체 상태입니다. 이 상태에서 열 (=에너지)를 받으면 액체로 되고, 그 다음은 기체, 그리고 그 다음은 제4의 물질 상태라고 부르는 플라즈마 상태로 전이 되게 됩니다. 기체 상태가 원자가 단순히 날아다니는 상태라고 한다면, 플라즈마 상태는 원자와 전자 그리고 원자핵으로 분리되어 날아다니는 상태라고 할 수 있습니다.

 

플라즈마 클리닝 (Plasma Cleaning) 원리

 플라즈마란 앞서 설명한 것처럼 기체에 에너지를 인가하여 기체 원자들이 이온화되어 활성화된 상태를 말합니다.

 

 플라즈마 가스로는 Ar, N O2, C4 (물리적 세정용), HBr, Cl2, SF6, CHF3 (화학적 식각용), He, N2 (희석용) 등이 사용됩니다.

고전압에 의해 활성화된 기체 이온과 전자들이 전압에 의해 형성된 전기장 내에서 일정 방향으로 가속되며 오염된 반도체 기판 표면과 충돌함으로써 유기물 (=불순물)을 제거하게 됩니다.

 

플라즈마 클리닝 (Plasma Cleaning) 효과

 반도체 패키지 공정에서 말하는 오염은 일반적으로 유기물에 의한 오염이며 이러한 오염 물질의 제거는 물리, 화학적인 방법으로 처리하게 됩니다.

 

 Ar 플라즈마 처리 전/후, 반도체 기판의 볼 패드 (Ball pad)에 잔존하는 오염물을 제거하게 되면 전기적 연결부 (contact)의 전기적 특성이 더 우수해지는 특성이 있습니다.

 

 플라즈마 공정의 결과가 반도체 칩에 영향을 얼마나 미치는지 확인하는 방법으로는 MRT (Moisture Resistance Test)라 부르는 흡습 저항 테스트를 통해 패키지 몰딩 수지 (EMC, Epoxy Mold Compound)와 반도체 기판 또는 몰딩 수지와 반도체 칩 간의 박리 유무로 평가가 가능합니다.

 

 또한 앞서 말씀드렸듯이 플라즈마 공정 처리 전/후의 표면 접촉각 비교를 통해 확인이 가능하며 측정값에 변화가 없을 시, 또는 몰드 후 경화 공정 (PMC, Post Mold Cure) 이후 박리가 발생한 경우에는 플라즈마 발생 조건을 비교할 필요가 있습니다.

 

 플라즈마 클리닝 공정은 패키지 신뢰성에 영향을 주는 아주 중요한 요인입니다. 몰딩 수지 (EMC, Epoxy Mold Compound)와 접촉하는 표면에 접촉이 원활하지 않은 경우 박리가 발생하여 EMC와 기판, Epoxy와 기판 간 박리가 발생할 수 있습니다.