반도체 웨이퍼 한 번에 16장 검사한다

생기원, ‘고속 멀티 프로빙 웨이퍼 검사시스템’ 개발
주요 부품 한 번에 결합한 일체형 카트리지 개발
해외 의존 높은 웨이퍼 검사 장비… 국산화 성공

남경태 한국생산기술연구원 융합기술연구소 수석연구원 연구팀이 개발한 16장의 웨이퍼를 한 번에 검사할 수 있는 ‘고속 멀티 프로빙 웨이퍼 검사시스템’. /한국생산기술연구원

반도체 웨이퍼 16장의 미세한 결함을 전기신호만으로 동시에 검사할 수 있는 시스템이 개발됐다. 해외 의존도가 높은 반도체 웨이퍼 검사 장비를 국산화하는 데 기여할 것으로 기대된다.

한국생산기술연구원(생기원)은 남경태 융합기술연구소 수석연구원 연구팀이 16장의 웨이퍼를 한 번에 검사할 수 있는 ‘고속 멀티 프로빙 웨이퍼 검사시스템’을 개발했다고 22일 밝혔다.

실리콘으로 만들어진 웨이퍼는 반도체 집적회로를 만드는 중요 재료다. 반도체가 집적화되면서 웨이퍼 검사는 ㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1) 단위의 결함을 잡아야 하는 정밀함을 요구하고 있다.

웨이퍼 검사는 웨이퍼 제조와 회로를 새기는 공정, 칩 패키징 공정 전후로 진행된다. 웨이퍼 검사는 프로버(Prober) 장비 위에 웨이퍼를 놓고, 미세한 핀들이 장착된 프로브 카드(Probe Card)와 접촉해 전기신호를 보내는 방식으로 진행된다. 흘려보낸 전기신호가 되돌아오는 것을 분석해 불량품을 판별하는 것이다.

웨이퍼 검사는 ㎛(마이크로미터·100만분의 1) 크기의 핀 수만 개를 접촉시키기 위해 고도의 기술력을 요구한다. 특히 초기 불량을 잡는 단계에선 고온에서 전압을 가해 불량을 예측하는 ‘번인(Burn-in)’ 과정을 거치는데, 칩의 집적도에 따라 2~12시간이 소요돼 공정에 병목 현상이 발생한다.

연구팀은 한 번의 검사로 여러 장의 웨이퍼를 동시에 테스트하면 검사 시간과 비용을 줄일 수 있다는 점을 고려해 고속 멀티 프로빙 웨이퍼 검사시스템을 설계했다. 이 시스템은 일체형 카트리지와 이송 로봇, 멀티 챔버를 구동할 수 있는 통합 제어시스템이다.

연구팀은 웨이퍼 검사의 주요 부품인 프로브 척(Chuck)과 웨이퍼, 프로브 카드를 하나의 프레임 안에 결합한 일체형 카트리지를 개발했다. 일체형 카트리지를 16개 장착할 수 있는 멀티 챔버방을 제작하고, 카트리지를 챔버까지 정확하게 연결할 수 있는 시스템을 설계했다. 또 수백㎏에 달하는 카트리지를 챔버방까지 빠르고 안정적으로 전달할 수 있는 이송 로봇을 개발했다.

새로 개발한 웨이퍼 검사 시스템을 사용할 경우, 동시에 16장의 웨이퍼를 검사할 수 있다. 기존에 한 장씩 검사하던 방식보다 16배 빠른 검사 속도를 보이는 셈이다. 특히 한국은 반도체 웨이퍼 검사 장비 75% 이상을 해외 제품에 의존하고 있어 장비 국산화에도 성공했다는 게 연구팀의 설명이다.

남경태 수석연구원은 “고정밀·고집적화로 반도체 패러다임이 바뀌는 추세에 맞춰 웨이퍼 검사시스템도 2세대 전환을 서둘러야 할 시점”이라며 “새로 개발된 검사시스템으로 생산성과 공간 활용도 높이고, 비용도 획기적으로 줄일 수 있다”고 했다.

이번 연구는 국가과학기술연구회(NST) 창의형융합연구사업 지원을 받아 한국전기연구원과 한국재료연구원, 성균관대, 티로보틱스, 에이엠에스터와 함께 진행됐다.