Chapter 02

웨이퍼 테스트와 박막화

전공정을 마친 300 mm 웨이퍼에는 수백에서 수천 개의 다이가 있고, 그중 일부는 이미 불량이다. 불량 다이에 기판과 금선과 몰딩 수지를 쓰는 것은 낭비이므로, 조립에 앞서 바늘을 대어 하나하나 측정하고 양품과 불량을 가른다. 그다음에는 웨이퍼를 뒤집어 뒷면을 갈아 낸다. 775 µm이던 두께가 수십 µm까지 줄면 웨이퍼는 단단한 원판이 아니라 종이처럼 휘는 막이 된다. 이 장은 웨이퍼 테스트와 백그라인딩, 그리고 얇아진 실리콘이 따르는 역학을 다룬다.

프로브 카드의 종류와 오버드라이브·스크럽·접촉 저항의 관계를 설명한다.
결함 밀도와 다이 면적에서 수율을 계산하고, 웨이퍼 맵과 빈, 리페어의 의미를 안다.
백그라인딩의 단계(테이프 라미네이션, 조연삭, 정연삭, 응력 제거)와 손상층을 설명한다.
두께에 따른 굽힘 강성, 자중 처짐, 막 응력에 의한 휨을 계산한다.
표면 결함 크기와 다이 강도의 관계를 그리피스 식과 와이블 분포로 다룬다.
캐리어 본딩, 타이코 링, 다이싱 테이프 마운트가 필요한 이유를 이해한다.

전공정과 조립 사이

패키징의 전체 흐름(1장)에서 이 장은 맨 앞에 놓인다. 팹에서 나온 웨이퍼는 먼저 웨이퍼 테스트(Wafer test, wafer sort, probe test)를 거친다. 국내에서는 EDS(Electrical Die Sorting)라는 이름을 많이 쓴다. 다이를 자르기 전에 웨이퍼 상태로 전기 특성을 재고, 다이마다 양품·불량 판정을 기록한다. 이어서 뒷면을 갈아 목표 두께로 만드는 백그라인딩(Backgrinding, wafer thinning)을 하고, 링 프레임에 건 다이싱 테이프에 웨이퍼를 붙여 4장의 다이싱으로 넘긴다. 범프가 필요한 제품은 그 사이에 3장의 범핑과 재배선을 거친다.

순서에는 이유가 있다. 테스트는 웨이퍼가 두껍고 튼튼할 때 한다. 프로브가 누르는 힘을 다 합치면 수십 kgf에 이를 수 있고, 얇은 웨이퍼는 그 힘과 고온 척을 견디기 어렵다. 반대로 연삭은 가능한 한 늦게 한다. 얇아진 웨이퍼는 다루기 어려우므로 얇은 상태로 거치는 공정 수를 줄이는 편이 유리하다.

제품	최종 다이 두께 (약)	얇게 하는 주된 이유
플립칩 로직(대형 FCBGA)	수백 µm ~ 원래 두께	휨 억제가 우선이라 크게 줄이지 않는다
일반 와이어 본딩 패키지(QFN, BGA)	150~300 µm	패키지 높이, 와이어 루프 여유
스마트카드·RFID	100~150 µm	카드 두께, 굽힘에 대한 유연성
전력 소자(IGBT, MOSFET)	50~120 µm	세로 방향 전류 경로의 저항과 열저항
TSV 인터포저·TSV 다이	50~100 µm	비아 깊이에 맞춰 뒷면에서 TSV를 노출
적층 메모리(낸드 MCP, HBM 코어 다이)	30~50 µm	정해진 패키지 높이 안에 더 많은 층

표의 값은 2020년대 중반 공개 자료 기준의 대략값이다. 300 mm 웨이퍼의 표준 두께는 775 µm, 200 mm는 725 µm다. 이 두께는 전공정 장비 안에서 웨이퍼가 처지거나 깨지지 않게 하려는 값이고, 회로가 실제로 쓰는 깊이는 표면에서 수 µm에 지나지 않는다.

웨이퍼 테스트: 프로브와 접촉

웨이퍼 테스트 설비는 세 부분으로 이루어진다. 테스터(ATE, Automatic Test Equipment)는 전원과 신호를 만들고 응답을 판정한다. 프로버(Prober)는 웨이퍼를 척에 올려 x·y·z·θ로 움직이며 다이의 패드를 바늘 위치에 맞춘다. 척은 대략 −40 °C에서 150 °C 안팎까지 온도를 바꿀 수 있어 고온·저온 시험을 같은 설비에서 한다. 둘 사이를 잇는 것이 프로브 카드(Probe card)로, 테스터의 수 mm 피치 채널을 다이의 수십 µm 피치 패드까지 좁혀 연결한다. 제품마다 패드 배치가 다르므로 프로브 카드는 제품별 전용 부품이다.

그림 2-1. 프로브 접촉. 캔틸레버 바늘은 웨이퍼가 올라오면 끝이 옆으로 미끄러지며(스크럽) 알루미늄 패드의 산화막을 긁어낸다. 수직 프로브는 가이드 플레이트 사이에서 핀이 좌굴하며 눌리므로 면 배열 범프에도 닿을 수 있다.

종류	구조	적합한 대상	특징
캔틸레버(Cantilever)	비스듬한 텅스텐·레늄텅스텐 바늘을 에폭시 링에 고정	다이 가장자리의 주변 배열 패드, 소량·다품종	싸고 수리가 쉽다. 면 배열과 다수 다이 동시 측정이 어렵고 스크럽 자국이 길다
수직(Vertical)	가이드 플레이트에 꽂은 좌굴 핀 + 공간 변환기	플립칩 범프·구리 필러의 면 배열, 로직	면 배열과 큰 전류에 적합. 핀 교체가 가능하다
MEMS	리소그래피·도금으로 만든 미세 스프링을 세라믹 기판에 배열	미세 피치 패드, 메모리의 웨이퍼 전면 동시 접촉	위치 정밀도와 평탄도가 좋다. 카드 한 장에 수만 개 이상의 핀. 비싸다

바늘 끝이 패드에 닿은 뒤 척을 더 올리는 거리를 오버드라이브(Overdrive)라 한다. 오버드라이브가 스프링인 프로브를 눌러 접촉 하중을 만든다. 핀 하나의 하중은 수 gf(수십 mN) 수준이다. 알루미늄 패드 표면에는 수 nm 두께의 자연 산화막이 있어, 그저 닿기만 해서는 전기가 잘 통하지 않는다. 바늘이 표면을 긁는 스크럽(Scrub)이 산화막을 깨고 금속끼리 맞닿게 한다. 금속 접촉의 저항은 접촉 반지름 $a$로 정해지는 수축 저항으로 근사한다.

$$R_c \approx \frac{\rho_1 + \rho_2}{4a}, \qquad a \approx \sqrt{\frac{F}{\pi H}}$$

$\rho_1, \rho_2$는 두 금속의 비저항, $F$는 접촉 하중, $H$는 무른 쪽 금속의 경도(홀름의 접촉 이론). 하중이 클수록 접촉 면적이 넓어져 $R_c \propto F^{-1/2}$로 줄어든다. 텅스텐 바늘과 알루미늄 패드에 30 mN을 주면 $a$는 수 µm, 이상적인 $R_c$는 수 mΩ이다. 실제 측정값은 남은 산화막과 바늘 끝 오염 때문에 이보다 훨씬 커서 보통 1 Ω 안팎 이하로 관리한다.

바늘이 남긴 자국이 프로브 마크(Probe mark)다. 하중이 너무 작으면 접촉 저항이 흔들려 양품을 불량으로 판정하고, 너무 크면 패드가 깊이 파여 아래의 배리어나 저유전 절연막에 균열이 생긴다. 프로브 마크는 나중에 같은 패드에 올릴 와이어 본드(6장)의 접합 면적을 갉아먹으므로, 자국의 크기와 깊이, 같은 패드를 찌르는 횟수를 제한한다. 바늘 끝에 알루미늄 산화물이 쌓이면 접촉 저항이 오르므로 연마 시트에 주기적으로 문질러 닦는다.

병렬 측정. 테스트 원가는 대부분 시간이다. 메모리는 테스트 시간이 길어 프로브 카드 한 장으로 웨이퍼의 모든 다이를 한 번에 접촉하고, 다이 안의 자체 시험 회로(BIST)로 테스터 채널 수를 줄인다. 로직은 다이 몇 개를 동시에 재는 멀티 사이트 방식을 쓴다.

웨이퍼 맵, 빈, 그리고 수율

테스트 결과는 다이마다 빈(Bin) 번호로 남는다. 빈 1은 양품, 나머지는 불량의 종류(단선·단락, 누설 전류, 기능 불량, 속도 미달 등)를 나타낸다. 속도나 소비 전력에 따라 양품을 여러 등급으로 나누기도 한다. 예전에는 불량 다이에 잉크 점을 찍었지만, 지금은 좌표와 빈을 담은 전자 파일인 웨이퍼 맵(Wafer map)을 조립 라인으로 넘기는 잉크리스 방식을 쓴다. 다이 본더는 이 맵을 읽고 양품만 집어 간다(5장). 맵의 불량 무늬는 전공정에 보내는 진단서이기도 하다. 가장자리 고리, 한쪽에 몰린 얼룩, 긁힌 선 모양은 각각 다른 공정 문제를 가리킨다.

웨이퍼 한 장에서 얻는 다이 수와 수율은 다이 면적 $A$와 결함 밀도 $D_0$로 어림한다.

$$N_{\text{die}} \approx \frac{\pi d^2}{4A} - \frac{\pi d}{\sqrt{2A}}, \qquad Y_{\text{Poisson}} = e^{-A D_0}, \qquad Y_{\text{NB}} = \left(1 + \frac{A D_0}{\alpha}\right)^{-\alpha}$$

$d$는 웨이퍼 지름. 첫 식의 둘째 항은 가장자리에서 잘리는 다이를 뺀 것이다. 포아송 모델은 결함이 웨이퍼 전체에 고르게 흩어진다고 본다. 실제 결함은 뭉쳐서 생기므로 같은 평균 밀도라도 여러 결함이 한 다이에 몰려 죽는 다이 수가 줄고 수율이 높아진다. 음이항(negative binomial) 모델의 $\alpha$가 뭉침의 정도를 나타내며, 작을수록 심하게 뭉친다. $\alpha \to \infty$이면 포아송 식이 된다.

SIMULATOR

웨이퍼 맵: 결함 밀도·다이 크기·클러스터링과 수율

결함 밀도 D₀ 다이 한 변 클러스터 계수 α (작을수록 뭉침) 리페어 (결함 1개인 다이를 구제)

온전한 다이 수—

이 웨이퍼의 수율—

포아송 예측—

음이항 예측—

해볼 것: ① 다이 한 변을 5 mm에서 25 mm로 키우면 다이 수는 줄고 수율도 지수적으로 떨어진다. 큰 칩이 비싼 이유이고, 칩을 쪼개는 칩렛(11장)의 동기다. ② α를 0.5로 낮추면 불량이 몇 군데에 몰리고, 같은 D₀에서 수율이 포아송 예측보다 높아진다. "새 웨이퍼"를 여러 번 누르면 웨이퍼마다 수율이 크게 흔들리는 것도 보인다. ③ 리페어를 켜면 결함이 하나뿐인 다이가 살아난다. (지름 300 mm, 가장자리 3 mm 제외, 스크라이브 폭 무시. 웨이퍼를 여러 구역으로 나누고 구역마다 결함 밀도를 감마 분포로 뽑아 음이항 통계를 만든다. 리페어는 결함 하나를 예비 셀로 대체할 수 있다고 본 단순화다.)

메모리의 리페어

메모리 다이는 수십억 개의 셀 가운데 몇 개만 불량이어도 쓸 수 없다. 그래서 설계할 때 예비 행과 열(리던던시)을 넣어 두고, 웨이퍼 테스트에서 찾은 불량 셀의 주소를 예비 셀로 돌리는 리페어(Repair)를 한다. 주소를 바꾸는 정보는 퓨즈에 기록한다. 레이저로 금속 퓨즈를 끊는 방식이 오래 쓰였고, 지금은 전기적으로 써 넣는 e-퓨즈와 안티퓨즈가 널리 쓰인다. 전기식은 패키지로 조립한 뒤에도 리페어할 수 있다는 장점이 있다. 메모리의 EDS는 대개 전기 특성 측정과 웨이퍼 번인, 고온·저온 시험, 리페어, 최종 시험의 순서로 진행한다.

왜 조립 전에 거르는가

웨이퍼 테스트는 공짜가 아니다. 다이 하나의 테스트 비용을 $C_t$, 조립과 패키지 재료에 드는 비용을 $C_a$라 하면, 테스트 없이 모두 조립할 때 버리는 돈은 다이당 $(1-Y)\,C_a$다. 따라서 $C_t < (1-Y)\,C_a$이면 테스트가 이득이다. 수율이 높고 패키지가 싼 제품은 웨이퍼 테스트를 줄이거나 표본만 재기도 한다. 반대로 여러 다이를 한 패키지에 넣는 제품은 다이 하나의 불량이 나머지 양품과 비싼 기판을 함께 버리게 하므로 다이 단계의 검증이 훨씬 엄격해야 한다. 이 KGD(Known Good Die) 개념과 누적 수율은 15장에서 다룬다.

백그라인딩

웨이퍼를 얇게 하는 이유는 네 가지로 정리된다. 첫째, 패키지 두께다. 모바일 기기의 패키지 높이는 1 mm 안팎으로 제한된다. 둘째, 적층이다. 같은 높이 안에 다이를 8장, 16장 쌓으려면 한 장이 수십 µm여야 한다. 셋째, 열과 전기다. 실리콘의 열전도도는 약 150 W/m·K이므로 두께 $t$인 다이의 단위 면적당 열저항 $t/k$는 775 µm에서 약 0.05 cm²·K/W, 100 µm에서 약 0.007 cm²·K/W다. 전류가 기판을 세로로 지나는 전력 소자는 두께가 곧 저항이다. 넷째, TSV 노출이다. 깊이 50~100 µm로 판 비아를 뒷면에서 드러내려면 그 깊이까지 갈아야 한다(12장).

그림 2-2. 왼쪽: 인피드 그라인딩. 컵 모양 휠의 테두리가 웨이퍼 중심을 지나도록 놓고, 휠과 척을 함께 돌리면서 휠을 천천히 내린다. 오른쪽: 연삭이 남기는 손상층. 표면 아래로 미세 균열과 결정 변형이 이어진다.

연삭은 다이아몬드 입자를 굳힌 휠로 한다. 요즘 장비는 대부분 인피드 그라인딩(In-feed grinding) 방식이다. 웨이퍼를 흡착한 척과 컵 휠이 각각 회전하고, 휠 테두리가 웨이퍼 중심을 지나도록 놓은 채 휠을 수직으로 내린다. 휠이 항상 웨이퍼 반지름 전체에 걸쳐 닿으므로 접촉 길이와 연삭 저항이 일정하고, 한 장씩 두께를 재며 제어할 수 있다. 표면에는 중심에서 바깥으로 퍼지는 부채꼴 연삭 자국(소 마크)이 남는다.

회로면은 BG 테이프(Backgrinding tape)로 덮어 보호한다. 기재 필름과 점착층으로 이루어진 100~200 µm 두께의 테이프로, 연삭수와 실리콘 부스러기가 회로면에 들어가는 것을 막고 척에 눌릴 때의 완충재 구실을 한다. 범프가 있는 웨이퍼에는 범프를 파묻을 만큼 두꺼운 점착층을 쓴다. 자외선을 쬐면 점착력이 떨어지는 UV 경화형이 많아, 연삭 뒤 얇은 웨이퍼에서 테이프를 떼어 낼 때 드는 힘을 줄인다.

연삭은 두 단계로 나눈다. 조연삭(Rough grinding)은 #300~#600 정도의 굵은 입자로 초당 수 µm씩 빠르게 깎아 제거량의 대부분을 맡는다. 정연삭(Fine grinding)은 #2000 이상의 고운 입자로 초당 1 µm 이하로 천천히 깎아 조연삭이 남긴 손상을 걷어 낸다. 다이아몬드 입자는 실리콘을 깨뜨리며 깎기 때문에 표면 아래에 손상층(Subsurface damage)이 남는다. 그 안의 미세 균열이 다이 강도를 정하고, 변형된 층이 가진 압축 응력이 얇은 웨이퍼를 휘게 한다. 그래서 100 µm 아래로 가는 제품은 정연삭 뒤에 응력 제거(Stress relief)를 덧붙여 손상층을 1~수 µm 더 없앤다.

응력 제거 방법	원리	장점	주의점
CMP	슬러리와 패드로 화학 기계적 연마	거울면, 높은 다이 강도	슬러리 폐액, 세정 필요
건식 폴리싱(Dry polish)	약액 없이 연마 패드로 문지름	연삭기에 일체화, 폐액 없음	제거 속도가 느리고 열 관리 필요
습식 식각	불산·질산 혼합액을 뿌리며 회전	제거 속도가 빠름	약액 관리, 회로면 보호
플라즈마 식각	불소계 플라즈마로 건식 식각	비접촉, 얇은 웨이퍼에 유리	진공 장비, 테이프의 내열성

연삭 품질은 두께 평균과 함께 TTV(Total Thickness Variation)로 관리한다. 웨이퍼 안에서 가장 두꺼운 곳과 가장 얇은 곳의 차이로, 300 mm 웨이퍼에서 수 µm 이하가 보통의 목표다. 연삭은 척 면을 기준으로 깎으므로 BG 테이프의 두께 편차가 그대로 실리콘 두께 편차로 옮겨 온다. 최종 두께가 50 µm이면 2 µm의 편차는 4%에 해당한다. 거울면으로 만든 뒷면은 강도가 높지만 금속 불순물을 붙잡아 두던 손상층(게터링 층)이 사라진다는 단점도 있어, 메모리에서는 아주 얇은 손상층만 일부러 남기는 연삭 조건을 쓰기도 한다.

얇은 웨이퍼의 역학

판을 휘는 데 드는 힘은 굽힘 강성(Flexural rigidity)이 정하고, 이것은 두께의 세제곱에 비례한다.

$$D = \frac{E\,t^3}{12\,(1-\nu^2)}, \qquad w_{\text{sag}} = \frac{(5+\nu)\,q\,a^4}{64\,(1+\nu)\,D} = \frac{3\,(5+\nu)(1-\nu)\,\rho g\,a^4}{16\,E\,t^2}$$

$E$는 영률, $\nu$는 푸아송 비, $t$는 두께, $a$는 반지름. 둘째 식은 가장자리를 단순 지지한 원판이 자기 무게 $q = \rho g t$로 처지는 중심 처짐이다. 무게는 $t$에 비례해 줄지만 강성은 $t^3$으로 줄어 처짐은 $1/t^2$로 커진다.

775 µm 웨이퍼를 100 µm로 갈면 강성은 약 1/465, 50 µm면 약 1/3700이 된다. 300 mm 웨이퍼를 가장자리로 받치면 775 µm에서는 0.1 mm쯤 처지지만 100 µm에서는 선형 이론으로 6 mm가 넘는다. 일반 카세트의 슬롯에 꽂아 옮길 수 없다는 뜻이다.

두 번째 문제는 휨(Warpage, bow)이다. 회로면에는 금속 배선과 절연막, 패시베이션, 폴리이미드가 수 µm에서 십수 µm 쌓여 있고, 이 막들은 성막 온도와 열팽창 계수 차이 때문에 잔류 응력을 가진다. 기판이 두꺼울 때는 그 힘을 버티지만 얇아지면 버티지 못하고 휜다. 막 응력과 곡률의 관계가 스토니 식(Stoney equation)이다.

$$\kappa = \frac{1}{R} = \frac{6\,\sigma_f\,t_f\,(1-\nu_s)}{E_s\,t_s^2}, \qquad \delta \approx \frac{\kappa\,d^2}{8}$$

$\sigma_f$와 $t_f$는 막의 응력과 두께, $E_s/(1-\nu_s)$는 기판의 2축 탄성 계수(실리콘 (100) 면에서 약 180 GPa), $t_s$는 기판 두께, $\delta$는 지름 $d$에 걸친 휨. 막이 인장이면 막이 있는 쪽으로 오목하게, 압축이면 볼록하게 휜다. 이 식은 막이 기판보다 훨씬 얇고 휨이 기판 두께보다 작을 때 성립한다.

SIMULATOR

박막화와 휨·강성·자중 처짐

웨이퍼 두께 막 응력 (＋ 인장, − 압축) 막 두께

막 응력 휨 (스토니)—

곡률 반지름—

굽힘 강성 (775 µm 대비)—

자중 처짐 (가장자리 지지)—

해볼 것: ① 두께를 775 µm에서 100 µm로 줄이면 휨과 처짐이 모두 약 60배(= 7.75²)가 되고 강성은 1/465로 떨어진다. 로그 그래프에서 두 선의 기울기가 −2인 것을 확인한다. ② 막 응력의 부호를 바꾸면 휘는 방향이 뒤집힌다. 막 두께를 키우면 휨은 그에 비례한다. ③ 지름을 200 mm로 바꾸면 휨은 지름의 제곱, 자중 처짐은 네제곱으로 줄어든다. (등방 근사 E = 130 GPa, ν = 0.28, 밀도 2330 kg/m³. 선형 소변형 이론이다. 점선은 처짐 = 두께인 경계로, 그 위에서는 실제 웨이퍼가 식의 값만큼 구면으로 휘지 않고 한 방향으로 말린 원통 모양이 된다. 연삭 손상층의 응력은 넣지 않았다.)

실제 얇은 웨이퍼는 식의 값처럼 수 cm짜리 구면이 되지 않는다. 휨이 두께를 넘으면 판의 면내 늘어남이 저항하기 시작하고, 어느 한계를 넘으면 감자 칩처럼 한 방향으로 말린다. 어느 쪽이든 진공 척이 웨이퍼를 잡지 못하고 로봇 팔이 집지 못하며 노광 초점이 맞지 않는다. 그래서 얇은 웨이퍼는 항상 무언가에 붙어서만 움직인다.

다이 강도와 표면 손상

실리콘은 취성 재료다. 소성 변형 없이 가장 큰 결함에서 균열이 자라 깨진다. 깊이 $a$인 표면 균열이 있는 재료의 파괴 응력은 그리피스 관계(Griffith criterion)로 주어진다.

$$\sigma_f = \frac{K_{Ic}}{Y\sqrt{\pi a}}$$

$K_{Ic}$는 파괴 인성으로 단결정 실리콘에서 약 0.7~1.0 MPa·m^1/2, $Y$는 균열 형상 계수(표면 균열에서 약 1.12). 강도는 결함 깊이의 제곱근에 반비례한다. 결함이 5 µm이면 약 200 MPa, 0.5 µm이면 약 640 MPa, 0.05 µm이면 약 2 GPa다.

같은 웨이퍼에서 나온 다이라도 가장 큰 결함의 크기가 제각각이므로 강도는 하나의 값이 아니라 분포다. 취성 재료의 강도 분포에는 와이블 분포(Weibull distribution)를 쓴다.

$$P_f(\sigma) = 1 - \exp\!\left[-\left(\frac{\sigma}{\sigma_0}\right)^{m}\right], \qquad \sigma_{\max} = \frac{3FL}{2bt^2}$$

$\sigma_0$는 63.2%가 깨지는 특성 강도, $m$은 와이블 계수로 클수록 산포가 좁다. 둘째 식은 다이 강도를 재는 3점 굽힘 시험의 최대 인장 응력으로, $F$는 하중, $L$은 지지 간격, $b$는 다이 폭, $t$는 두께. 뒤집으면 파괴 하중은 $F = 2\sigma_f b t^2 / (3L)$이다.

SIMULATOR

다이 강도: 표면 처리와 파괴 확률

결함 깊이 a 와이블 계수 m 다이 두께 3점 굽힘 하중 F

특성 강도 σ₀—

특성 파괴 하중—

인가 응력—

파괴 확률—

해볼 것: ① 조연삭 → 정연삭 → 폴리싱으로 바꾸면 곡선이 오른쪽으로 옮겨 간다. 결함 깊이가 1/10이 될 때마다 강도는 약 3.2배(√10)다. ② 하중을 2 N에 두고 두께를 100 µm에서 50 µm로 줄이면 응력이 4배가 되어 파괴 확률이 급히 오른다. 얇은 다이일수록 표면 처리가 중요해지는 이유다. ③ m을 키우면 곡선이 가팔라진다. 평균 강도가 같아도 m이 작으면 낮은 응력에서 깨지는 다이가 섞여 나온다. (K_Ic = 0.9 MPa·m^1/2, Y = 1.12, 다이 폭 10 mm, 지지 간격 5 mm. 그리피스 강도를 와이블 특성 강도로 두었고 시편 크기 효과와 가장자리 치핑은 넣지 않았다. 점선은 세 가지 표면 처리의 기준 곡선이다.)

다이가 굽힘을 받는 순간은 많다. 테이프에서 이젝터 핀으로 밀어 올릴 때(5장), 본딩 헤드가 누를 때, 몰딩 수지가 식으며 수축할 때(8장), 그리고 온도 사이클에서 패키지가 휠 때(14장)다. 뒷면 강도는 이 장의 연삭과 응력 제거가 정하고, 옆면과 모서리의 강도는 4장의 다이싱이 남기는 치핑이 정한다. 다이는 둘 중 약한 쪽에서 깨진다.

연삭 자국의 방향. 인피드 그라인딩의 자국은 부채꼴이라 웨이퍼 안의 위치에 따라 다이에 새겨진 방향이 다르다. 자국에 수직으로 굽히면 자국이 균열의 출발점이 되어 강도가 낮고, 평행하게 굽히면 높다. 같은 웨이퍼의 다이 강도가 위치와 시험 방향에 따라 달라지는 까닭이다. 응력 제거로 자국을 없애면 이 방향성도 사라진다.

캐리어, 타이코, 테이프 마운트

그림 2-3. 얇은 웨이퍼를 다루는 두 가지 방법. 캐리어 본딩은 단단한 판에 임시로 붙여 뒷면 공정을 한다. 타이코는 웨이퍼 자신의 가장자리를 보강 고리로 쓴다.

연삭만 하고 바로 다이싱으로 가는 제품은 BG 테이프와 다이싱 테이프가 웨이퍼를 차례로 받쳐 주므로 따로 지지체가 필요 없다. 문제는 얇게 간 뒤 뒷면에 공정이 더 있는 경우다. TSV 노출과 뒷면 재배선·범프(12장), 전력 소자의 뒷면 이온 주입과 금속 증착이 그렇다. 이때 쓰는 방법이 둘이다.

캐리어 본딩(Temporary bonding and debonding)은 연삭 전에 웨이퍼 회로면을 유리나 실리콘 캐리어에 임시 접착제로 붙인다. 캐리어가 강성을 대신하므로 수십 µm 웨이퍼도 일반 웨이퍼처럼 장비를 지난다. 접착제는 연삭의 전단력과 뒷면 공정의 온도(200 °C 안팎 또는 그 이상)와 약액을 견디면서, 끝난 뒤에는 잔사 없이 떨어져야 한다. 떼는 방법은 가열해 밀어내는 열 슬라이드, 가장자리부터 벗기는 기계식, 유리 캐리어 너머로 레이저를 쏘아 분리층을 분해하는 레이저 방식이 있다. 접착층의 두께 편차는 그대로 TTV가 되므로 접착제 도포 균일도가 중요하다.

타이코(TAIKO) 공정은 웨이퍼 가장자리 약 3 mm 폭을 연삭하지 않고 남긴다. 북의 테처럼 남은 두꺼운 고리가 안쪽의 얇은 막을 팽팽하게 잡아 휨과 처짐을 크게 줄인다. 캐리어와 접착제가 없으므로 고온 공정과 진공 증착에 제약이 적어 전력 소자에서 많이 쓴다. 다이싱 전에는 고리를 잘라 내거나 갈아 없앤다.

뒷면 공정까지 끝난 웨이퍼는 테이프 마운트(Wafer mount)를 한다. 스테인리스 링 프레임에 팽팽하게 붙인 다이싱 테이프 위에 웨이퍼 뒷면을 붙이고, 그 뒤에 회로면의 BG 테이프를 벗긴다. 순서가 반대이면 얇은 웨이퍼가 한순간 아무 지지 없이 남게 되므로, 연삭기와 마운터를 한 줄로 이어 웨이퍼가 항상 척이나 테이프에 붙어 있게 한다. 적층용 다이에는 다이싱 테이프와 다이 접착 필름(DAF)을 겹친 테이프를 써서 이 단계에서 접착층까지 함께 붙인다(5장). 먼저 홈을 파거나 내부에 개질층을 만든 뒤 연삭으로 다이를 갈라내는 DBG·SDBG는 순서가 뒤바뀐 변형으로, 4장에서 다룬다.

가장자리 깨짐. 웨이퍼 가장자리는 둥글게 가공되어 있어, 절반 넘게 갈아 내면 끝이 칼날처럼 뾰족해진다. 이 얇은 날이 깨지면 균열이 안쪽으로 번진다. 그래서 연삭 전에 가장자리를 계단 모양으로 미리 잘라 내는 에지 트리밍을 하거나, 캐리어 본딩 때 가장자리를 접착제로 받친다.

핵심 정리

웨이퍼 테스트(EDS)는 프로브 카드로 다이마다 전기 특성을 재어 빈을 매기고, 웨이퍼 맵으로 조립 라인에 넘긴다. $C_t < (1-Y)C_a$이면 조립 전에 거르는 편이 이득이다.
프로브는 오버드라이브로 하중을 만들고 스크럽으로 산화막을 깬다. 접촉 저항은 $F^{-1/2}$로 줄지만 하중이 지나치면 패드와 그 아래 막이 손상된다.
수율은 $e^{-AD_0}$(포아송) 또는 $(1+AD_0/\alpha)^{-\alpha}$(음이항)로 어림한다. 다이가 클수록, 결함이 고르게 퍼질수록 수율이 낮다. 메모리는 예비 셀과 퓨즈로 리페어한다.
백그라인딩은 BG 테이프 라미네이션, 조연삭, 정연삭, 응력 제거의 순서다. 연삭이 남기는 손상층의 미세 균열을 없애야 얇은 다이가 버틴다.
굽힘 강성은 $t^3$에 비례하고, 자중 처짐과 막 응력 휨(스토니 식)은 $1/t^2$로 커진다. 100 µm 아래의 웨이퍼는 혼자서는 다룰 수 없다.
다이 강도는 $\sigma_f = K_{Ic}/(Y\sqrt{\pi a})$로 결함 깊이가 정하고 와이블 분포를 따른다. 얇은 웨이퍼는 캐리어, 타이코 링, 테이프가 번갈아 지지한다.

확인 퀴즈

다이 면적이 1 cm², 결함 밀도가 0.5 /cm²일 때 포아송 모델의 수율은 약 얼마인가?

$Y = e^{-AD_0} = e^{-0.5} \approx 0.61$. 결함이 뭉쳐 있다면(음이항, α = 2) $(1 + 0.25)^{-2} = 0.64$로 조금 더 높다.

프로브가 알루미늄 패드 위에서 옆으로 미끄러지는 스크럽의 주된 목적은?

알루미늄의 자연 산화막은 절연체다. 스크럽이 이를 긁어내야 접촉 저항이 낮고 안정해진다. 그 대가로 프로브 마크가 남는다.

웨이퍼 두께를 775 µm에서 77.5 µm로(1/10) 줄이면 굽힘 강성은 어떻게 되는가?

굽힘 강성 $D \propto t^3$이므로 1/1000이다. 같은 막 응력에 의한 휨과 자중 처짐은 $1/t^2$이므로 100배가 된다.

정연삭 뒤에 CMP나 플라즈마 식각으로 뒷면을 1~수 µm 더 제거하는 주된 이유는?

강도는 가장 깊은 결함이 정한다($\sigma_f \propto 1/\sqrt{a}$). 손상층을 없애면 결함 깊이가 줄어 강도가 몇 배로 오르고, 손상층의 압축 응력이 만들던 휨도 사라진다.