자이스, 반도체 패키징 불량분석용 고해상 3D 엑스레이 이미징 솔루션 출시

[테크월드=양대규 기자] 반도체 업계에서는 CMOS 공정 축소 노드가 한계선에 가까워지면서, 반도체 성능 간극을 메우는데 도움이 되는 패키징 기술이 필요해졌다. 보다 작고 빠르면서 전력소모도 적은 반도체 생산을 지속하기 위해, 반도체 업계에서는 칩을 3D로 적층하는 방식이나 그 밖에 다른 혁신적인 방식의 패키징 기법으로 전환하는 추세다. 이는 패키지 구조를 점점 더 복잡하게 만들고 제조상의 새로운 과제들을 배출할 뿐 아니라 패키지 불량의 가능성도 높인다. 게다가 불량이 발생하는 물리적 위치가 이처럼 복잡한 3D 구조 안에 묻혀 있는 경우도 많기 때문에, 불량의 위치를 시각화하기 위한 기존의 기법들은 점점 더 효과가 떨어지는 추세다. 따라서, 이러한 첨단 패키징에서 불량의 근원을 효과적으로 차단하고 확인할 수 있는 새로운 기술이 필요하다.

이런 요구 사항들을 충족하기 위해, 자이스(ZEISS)는 첨단 3D 패키지의 온전한 구조 안에 담겨 있는 기능과 결함을 서브마이크론과 나노급 3D 이미지로 보여줄 수 있는 새로운 3D 엑스레이 이미징 솔루션을 개발했다. 새로운 솔루션의 원리는, 샘플을 회전하여 서로 다른 각도의 다양한 2D 엑스레이 이미지들을 캡처한 다음, 정교한 수학적 모델과 알고리즘을 사용하여 3D 입체 모양을 재구성하는 것이다. 무수히 많은 각도에서 이 3D 입체의 가상 단면을 살펴볼 수 있기 때문에, 물리적 불량 분석(PFA)을 시도하기 전에 비파괴 방식으로 불량의 위치를 확인할 수 있는 엄청난 이점을 제공한다. 자이스의 새로운 서브마이크론과 나노급 XRM 솔루션을 조합해 사용하면 자이스 특유의 FA 작업 흐름을 통해 FA 성공률을 크게 높일 수 있다. 자이스의 새로운 엑스레디아 콘텍스트 마이크로CT는 프로젝션 기반의 기하학적 확대 기술을 활용하여 넓은 시야각에서 높은 콘트라스트와 해상도를 제공할 뿐 아니라, 엑스레디아 버사로 완벽하게 업그레이드가 가능하다.

이와 관련해 자이스는 1월 23일 2.5·3D, 팬아웃 웨이퍼 레벨 패키지(FoWLP) 등 첨단 반도체 패키지의 불량분석(Failure Analysis, FA)을 위한 고해상 3D 엑스레이 이미징 솔루션 최신 제품들을 발표했다. 새로운 자이스 시스템에는 각각 서브마이크론과 나노급 패키지 FA 작업에 사용되는 엑스레디아 600 시리즈 버사(Xradia 600-series Versa)와 엑스레디아 800 울트라 엑스레이 현미경(XRM), 그리고 새로운 엑스레디아 콘텍스트 마이크로CT(Xradia Context microCT)가 포함된다. 기존 제품군에 이들 신제품을 추가함으로써, 자이스는 이제 반도체 산업을 위한 가장 방대한 3D 엑스레이 이미징 기술 포트폴리오를 제공하게 됐다.

자이스 공정제어솔루션(PCS)과 칼 자이스 SMT(Carl Zeiss SMT)의 사장인 라즈 자미(Raj Jammy) 박사는 “170년의 역사를 이어오는 동안, 자이스는 과학연구의 지평을 넓히고 첨단 이미징 기술 개발을 주도함으로써 새로운 산업 애플리케이션과 기술의 혁신에 기여해 왔다”며, “이제 반도체 업계에서는 그 어느 때보다 더 패키지와 디바이스 특징들이 3차원적으로 작아지고 있으며, 그에 따라 패키징 수율을 끌어올릴 수 있도록 불량을 신속하게 차단할 수 있는 새로운 이미징 솔루션이 필요해졌다. 이 같은 상황에서 첨단 반도체 패키징을 위한 새로운 3D 엑스레이 이미징 솔루션 3종을 발표하게 되어 대단히 기쁘다. 이번 신제품들은 자이스 고객들이 불량 분석 성공률을 더욱 높일 수 있는 강력한 고해상 툴세트를 제공한다”고 밝혔다.

‘엑스레디아 600 시리즈 버사’

새로운 엑스레디아 600 시리즈 버사는 온전한 반도체 패키지 내부의 국부적인 결함을 비파괴 방식으로 시각화하기 위한 차세대 3D XRM 장비이다. 신제품은 공정 개발, 수율 개선, 구조 분석을 위한 구조적, FA 애플리케이션에서 탁월한 성능을 나타낸다. 신제품은 RaaD(Resolution at a Distance) 기능을 지원하고 수상 실적도 갖고 있는 버사 플랫폼을 기반으로 설계됐다. 이러한 특성을 바탕으로 한 새로운 엑스레디아 600 시리즈 버사는 패키지와 PCB, 300mm 웨이퍼의 결함과 불량의 근본적 원인을 확인할 수 있도록 원거리에서 대형 샘플에 대한 고해상 이미징을 표시하는 데 있어서 탁월한 성능을 제공한다. 이 장비는 일반적인 범프나 마이크로범프의 균열이나 솔더 웨팅 (solder wetting) 문제, 또는 TSV(Through Silicon Via) 보이드 같은 패키지 레벨의 불량과 관련된 결함을 눈으로 쉽게 확인할 수 있게 해준다. PFA(Physical Failure Analysis)를 시도하기 전에, 이처럼 결함을 3D로 시각화하면 인공결함(artifact)을 줄이고 단면 방향을 지정할 수 있어, 궁극적으로 FA 성공률을 높일 수 있다. 이 외에 다음과 같은 특징들을 포함한다;
▲ 0.5µm의 공간 분해능과 40nm의 최소 화적소 크기(voxel size)
▲ 전체 kV, 전력 범위에 걸쳐 뛰어난 소스 스폿 크기 안정성과 열 관리 제어 기능으로 고해상도를 유지하면서, 엑스레디아 500 시리즈 버사보다 최대 2배 더 높은 생산력 달성
▲ 고속 활성 소스 제어 기능 등 사용편의성 향상
▲ 제품 수명 테스트의 여러 단계에서 패키지 내부의 매우 작은 구조적 변화를 시각화

‘엑스레디아 800 울트라’

새로운 엑스레디아 800 울트라는 나노급 영역에 대한 3D XRM을 지원함으로써, 패키지에 묻힌 기능들의 이미지를 나노 크기의 공간 분해능으로 생성하면서, 확인하고자 하는 영역의 볼륨 무결성을 보존한다. 이 장비는 초미세 피치의 플립칩과 범프 연결의 공정 분석, 구조 분석, 결함 분석에 활용되어 초미세 피치 패키지와 BEOL(back-end-of-line)의 공정을 향상시킬 수 있다. 엑스레디아 800 울트라는 미세피치 코퍼 필라 마이크로범프(copper pillar microbump) 안의 금속간 화합물이 소비하는 솔더의 텍스처와 부피를 시각화 할 수도 있다. 시각화 하는 동안 결함 부분은 그대로 보존되기 때문에, 다양한 기법들을 동원한 후속 분석이 가능하다. 웨이퍼-대-웨이퍼 본딩 인터커넥트나 다이렉트 하이브리드 본딩 같은 블라인드 어셈블리의 구조 품질도 3D로 특성화 할 수 있다. 이 외에도 다음과 같은 특징들을 포함한다.
▲ 150nm, 50nm 공간 분해능(샘플 준비 필요)
▲ 광학 피코초(ps) 레이저 샘플 준비 툴로, 1시간 이내에 온전한 볼륨 샘플(통상 직경 100µm) 추출 가능
▲ 투과 전자 현미경(TEM), 에너지 분산형 엑스레이 분광분석기(EDS), 원자 현미경(AFM), 2차 이온 질량분석기(SIMS)와 나노프로빙 등의 후속 분석을 위한 광범위한 옵션들과 호환 가능

‘엑스레디아 콘텍스트 마이크로CT’

새로운 엑스레디아 콘텍스트 마이크로CT는 버사 플랫폼을 기반으로 한 새로운 서브마이크론 분해능 3D 엑스레이 마이크로CT 시스템이다. 신제품은 근거리에서 고효율로 패키지에 대한 고해상 이미징 검사를 수행할 수 있도록 설계됐다. 제품의 특징은 다음과 같다;
▲ 대형 샘플의 전체 필드 이미징을 위한 넓은 시야각(엑스레디아 버사 XRM 시스템보다 10배 더 큰 볼륨)
▲ 작은 픽셀 크기에 고속 6메가픽셀 밀도를 지원하는 감지기가 비교적 넓은 시야각에서도 높은 분해능을 유지
▲ 0.95µm의 공간 분해능과 0.5µm의 최소 화적소 크기를 지원하는 마이크로CT 엑스레이
▲ 뛰어난 화질과 콘트라스트
▲ 엑스레디아 버사와 필드 호환이 가능해, RaaD 기능과 온전한 대형 샘플의 고해상 이미징 구현이 가능