안녕하세요? 한동안 장마로 비가 많이 오더니 30도를 훌쩍 넘는 더위가 이어지네요. 지금까지 살면서 긴급 재난 문자를 이렇게 많이 받아 본 적은 처음인 거 같습니다. 일본은 지진의 조짐이 보이면 이렇게 전 국민에게 대피하라는 문자를 보낸다고 합니다. 지진은 아니지만 우리는 폭우와 폭염으로 국민안전처에서 여러 차례 문자를 받았습니다. 위험에 처한 분들이 걱정도 되지만, 국가로부터 도움을 받고 있다는 생각이 들어 왠지 감사하더군요. 이런 긴급 상황에서 매체가 되어 주는 스마트폰의 위력에도 놀라웠고요. 여러분들은 어떠셨나요? 모쪼록 본격적인 무더위가 시작될 텐데, 스트레스 적게 받으시고 건강 잘 유지하시기 바랍니다.


사람의 건강을 해치는 것은 무엇일까요? 방금 말씀드린 스트레스가 아닐까요? 이 스트레스를 얼마나 덜 받고 잘 해소하느냐에 따라 건강 유지의 관건이 달려 있다고 해도 과언이 아닐 겁니다. 이 스트레스를 완벽히 제로로 만들 수 있을까요? 관에 들어가면 제로가 된다고 합니다. (ㅎㅎ) 즉, 스트레스는 내가 아직 살아 있다는 증거라고 하네요. 사는 동안 피할 수 없는 이 스트레스! 친해지기도 그렇고 마냥 멀리할 수도 없는 존재인데요, 그런데 사람뿐만 아니라 반도체 패키지도 스트레스를 받는다는 것을 아시나요? 이번에는 반도체 패키지는 무엇 때문에 스트레스받는지에 대해 한번 살펴보려고 합니다.


지난 호에서, 패키지 만병의 근원은 패키지 변형, 즉 ‘warpage’라고 말씀을 드렸습니다. 바로 이러한 변형이 생기면 패키지 내부에서는 스트레스가 발생하게 됩니다. 패키지 내부에서 스트레스가 높아지면 패키지 내부 계면 박리나 crack과 같은 기계적 손상이 발생해 설계된 전기적인 성능을 내지 못하는 불량이 발생하게 됩니다.


패키지 Warpage 변형이 발생하는 이유


✓ 반도체 패키지에 사용되는 재료


패키지 내부를 자세히 들여다보면 반도체 패키지를 구성하는 몇 가지 전형적인 재료가 있습니다. Silicon (Si)으로 이루어진 Chip, 그리고 이 chip을 고정해 전기적인 배선을 가능하게 하는 Copper (Cu)소재의 Lead frame, 혹은 Polymer 소재의 기판 substrate, 이 Silicon chip을 Lead frame이나 Substrate에 접착시키는 열경화성수지 접착제인 Adhesive 혹은 Underfill (UF), 그리고 이 모든 것을 감싸 덮어 주는 EMC (Epoxy Molding Compound)가 있습니다. 또한 Silicon chip과 Lead frame/Substrate와 전기적인 통로가 되는 Gold (Au) wire / Tin (Sn) bump 등이 있습니다.


▲ 반도체 내부 - 패키지 타입별 소재 구성도


반도체 조립 공정이라는 것은 위에서 설명한 소재들을 대략 낮게는 10℃부터 높게는 260~300℃까지 온도를 가하며 Silicon Chip을 중심으로 각 소재를 서로 접합시키는 일련의 과정입니다. 그런데 이 소재들에 온도를 가하면 팽창합니다. 재료별로 그 팽창하는 정도가 고유하게 다릅니다. 이렇게 열팽창 정도가 Silicon chip을 기준으로 보면 재료별로 적게는 7배, 많게는 100배 정도 차이가 납니다. Adhesive나 EMC 등으로 감싸고 접합한 상태에서 온도를 올리거나 내리게 되면 어떤 재료는 덜 팽창 혹은 수축하려고 하고, 어떤 재료는 많이 팽창 혹은 수축하려다 보니 변형이 생기게 됩니다.


▲ 반도체 패키지 조립 공정별 typical 공정 온도


▲ 소재별 선형 열팽창 계수


✓ 보드 레벨에서의 warpage가 BGA 솔더 접합부에 미치는 영향


패키지의 변형 문제는 패키지를 만들고 나서도 고민이 됩니다. 패키지를 보드에 부착한 후에도 반복적인 온도 변화 환경에 놓일 수 있기 때문입니다. 이때는 패키지와 보드 사이의 열팽창 차이로 솔더 접합부의 수명에 영향을 미칩니다. 솔더 접합부에 반복적인 변형이 발생하면 피로가 가중되어 결국 Crack이 발생할 수 있습니다. 솔더 접합부의 피로 수명을 높이기 위해 다양한 노력을 하고 있습니다만 가장 중요한 것은 보드와 패키지 사이에 열팽창 차이를 줄이는 것입니다.


▲ Solder joint crack during Temperature cycling


✓  반도체 소재의 기계적 물성치 정의 


1) 열팽창 계수 (CTE, Coefficient Of Expansion) : 철사나 구리줄을 가열하면 늘어납니다. 이때 온도 변화가 클수록 길이의 변화도 커지게 되지요. 길이의 변화는 처음의 길이에도 비례합니다. 길이가 L0인 고체 온도가 △t만큼 변하였을 때 길이의 변화를 △L이라고 하면, △L은 △t와 L0에 비례하므로 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.


∆L=αL_0×∆t


이 식에서 비례 상수 α를 ‘선형 열팽창 계수’라고 한다. 늘어났을 때의 길이 L은 다음과 같습니다.


L=L_0 (1+α∆t)


이미지 출처 : http://goo.gl/WB516G


2) 탄성 계수 (Young’s Modulus) : 재료의 종류에 따라 응력이 일정한 값(항복점)을 초과하지 않을 때 응력과 변형률과의 비는 일정한 값을 나타내며, 이때의 비례상수를 말합니다. 변형률은 길이 혹은 체적의 비를 나타내며 무차원이므로, 탄성계수의 단위는 응력의 단위와 동일합니다. 수직응력(σ)과 변형률(ε)의 사이에는 σ=Eϵ의 관계가 있으며, E를 종탄성계수(Young’s modulus)라 하고, 보통 ‘탄성계수’라고 말합니다.


이미지출처 : http://goo.gl/axuuCI


✓ 패키지 warpage 변형을 최소화하는 방법 (공정 관점/재료 관점/구조 관점)


1) 공정 온도를 낮추라

2) CTE mismatch를 최소화하라 - Low CTE 재료 선정

3) Low modulus 소재를 선정하라

4) 재료의 CTE mismatch 유효 면적 / 길이를 줄여라


이번 달에는 패키지 만병의 근원인 패키지 warpage에 대해 알아보았습니다. 이러한 변형을 최소화 함으로서 스트레스를 낮추는 방법들을 살펴보았는데요, 독자 여러분도 무더운 여름 스트레스받지 않도록 하시고 혹 그렇더라도 본인에게 맞는 해소법으로 건강을 유지하시기 바랍니다.


그동안 6회에 걸쳐 연재하고 있는데 과연 몇 분이나 이 글을 보실까 하는 궁금증이 생겼습니다. 제가 드라마 작가는 아니지만 왜 시청률에 연연해 하는지 조금은 이해가 되기도 하더군요. (^^) 아래 보시면 ‘빨간 하트’가 있는데요, 눌러 주시면 공감 지수가 올라간답니다. 비록 큰 도움이 안 되었더라도 눌러주시면 제가 몇 분이 이 글을 보시는지 가늠하는 데 유용하겠습니다.




WRITTEN BY 손은숙

건강하고 다재다능한 명품 패키지 개발을 주업으로, 울트라 캡 잔소리꾼이지만 때로는 허당 엄마를 부업으로, 하루하루를 열심히 사는 40대 꽃중년 아줌마입니다.




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  1. Austin Park 2016.07.29 21:41 신고 Address Modify/Delete Reply

    읽기만 하고 댓글을 달지 않는 부끄럼쟁이 반도체인들..ㅎㅎ
    지난 SEMI packaging교육에서 Presentation 잘 들었습니다.
    좋은 반도체 이야기 계속 올려 주세요.

  2. 엄명철 2016.10.07 15:11 신고 Address Modify/Delete Reply

    잼나게 보고 있습니다.

  3. 권종대 2016.10.26 16:18 신고 Address Modify/Delete Reply

    글 잘 보고 있습니다.
    너무 잼있게 잘 설명 해 주셔서 제가 신입 친구들 교육용으로도 쓰고 있습니다. ^^
    -나믹스 권과장-


[건강한 반도체 이야기] 미모와 체중에 신경 쓰는 패키지


안녕하세요? 독자 여러분! 올해 앰코인스토리 [반도체 이야기]의 주제는 ‘건강하고 다재다능한 반도체 이야기’였습니다. 기억하시나요? 지금까지 다섯 차례에 걸쳐 반도체의 건강에 관해 이야기를 했습니다. 자, 이번 호부터는 건강은 기본으로 하고 다재다능한 반도체 이야기를 해볼까 합니다. 갑자기 이런 말이 생각나네요. 아빠가 딸 아이에게 “못생겨도 좋다. 공부 못 해도 좋다. 건강하게만 자라다오!” 과연 진심일까요?


저도 엄마지만 앞의 아빠처럼 훌륭한 부모는 아닌가 봅니다. 저는 솔직히 제 아이들이 건강은 당연하고 부모 유전자의 한계가 있음에도, 이왕이면 키도 크고 예쁘고 날씬하고 공부도 잘했으면 좋겠거든요. 당연히 부모의 욕심이지요. (^^) 반도체 패키지의 성능에 대한 소비자와 고객들의 욕심도 이와 같다고 생각합니다. 건강하기만 하면 안 됩니다. 작아져야 하고, 가벼워야 하고, 얇아져야 하고…. 반도체의 외모가 아주 중요해졌습니다.


스마트폰을 예로 들어 볼까요? 스마트폰 전체 두께는 얼마나 될까요? 지금 여러분 손에 들려있는 폰을 한 번 보세요. 대략 7~8mm 됩니다. 무게는 얼마나 될까요? 기기나 크기에 따라 다르겠지만 대략 150~250g 정도입니다. 이 정도 두께와 무게라면 그 안에 들어가는 반도체 패키지의 두께나 무게는 얼마나 될까요? 제가 지금 지면이 아닌 강의를 한다면 돌발 퀴즈를 내어 가장 근접하게 맞추시는 분께 시원한 아이스크림을 드리고 싶습니다만, 아쉽네요. 아! 댓글을 달아보시겠어요? 하하! 답을 말씀드릴게요.


두께는 1mm가 넘지 않습니다. Substrate 기판을 사용하는 Laminated 패키지 타입은 대략 0.5~0.7mm 정도이고 기판을 사용하지 않는 Wafer level CSP 패키지는 보통 0.3~0.4mm 정도 됩니다. (제가 여기서 말씀드리는 수치는 어디까지나 대략적인 수치입니다. 이보다 더 얇거나 두꺼울 수 있으니 참고하시기 바랍니다.) 무게는 얼마나 될까요? 15mm 정도 크기의 패키지는 2g 내외입니다. 이보다 작은 패키지는 물론 그 이하일 것입니다. 최근 삼성전자에서 20mm 512GB 메모리를 1g으로 만들었다고 하네요. 아래 그림에서 보듯, A4용지 1장이 5g 정도 하니 얼마나 가벼운지 감이 오겠지요.


▲ 삼성전자, 무게 1g 크기 2cm ‘512GB BGA NVM2SSD’

사진출처 : 삼성전자


이번에는 그럼 패키지 속으로 들어가 보겠습니다. Mobile Application Laminated 타입 패키지 안에 있는 Si chip 의 두께는 얼마나 될까요? 대략 50~100㎛ 이내입니다. 여러분! 100㎛ 정도면 어느 정도인지 혹시 감이 오시나요? A4 종이 1장의 두께가 80~100㎛ 정도라고 하니, 50㎛ 정도의 Chip 두께라면 A4 종이보다 더 얇은 거겠지요. 아래 그림에서처럼 스마트폰에 들어가는 AP (Application Processor) device이고 패키지 형태는 POP (Package On Package) 입니다. 아래 패키지가 Logic device, 위 패키지가 memory device입니다. 두 개의 패키지가 stack 되었어도 전체 두께가 1mm가 채 안 되지요. 단면을 보시면 Si chip 두께를 대략 가늠해 볼 수 있을 겁니다.


▲ 1mm 이하 두께의 POP (Package On Package) 패키지 단면 사진


패키지 만병의 근원


사실 여기까지는 반도체 패키지에 관해 관심이 있으시다면 이미 이 정도는 알고 계신 분들이 많을 겁니다. 멀리 돌아왔는데요, 사실 반도체 외모에 대해 제가 말하고 싶었던 것은 두께나 무게나 크기가 아닙니다. 스마트폰에 들어가는 AP (Application Processor) 패키지는 크기가 대략 14mm 내외입니다. 헌데 chip 성능상 크기를 줄이는 데 한계가 있습니다. 그런데 1mm 이하로 얇아지면서 생기는 문제가 아래 그림들과 같은 패키지 변형입니다. 이것은 Warpage 라고도 하는데요, 이 변형 정도, 즉 warpage 정도가 크면 클수록 문제를 일으킵니다. 어찌 보면 패키지 만병의 근원이라고도 볼 수 있습니다. 그래서 신규 패키지 개발이나 생산 때면 이 Warpage 최소화를 위해 최적화된 구조 설계, 최적화된 재료 선정, 적절한 공정 선택과 조건 설정이 주요 과제가 됩니다.


▲ 패키지 Warpage 측정 결과


패키지 Warpage가 크면 발생하는 문제


패키지 변형인 Warpage가 크면 무슨 문제가 일어날까요? 일차적으로 패키지를 Board에 실장할 때 Warpage가 과도하면 아래 두 그림에서 보여주는 것처럼 Solder 접합부가 보드에 안 붙는 non-wetting 현상으로 open 불량을 가져오기도 하고 인접한 Solder Ball끼리 녹아 붙으면서 연결되지 말아야 할 회로가 연결되어 short 불량을 일으키기도 합니다.


이차적으로는 패키지가 보드에 실장되고 사용 환경에서 고온, 저온을 겪게 되면 이러한 Warpage 변형 모양이 아래로 불룩(Smile face)하거나 위로 불룩(Cry face)한 모양으로 반복적으로 바뀌고, 이러한 반복적인 변형이 패키지 내부 접착 계면에 박리를 유발하기도 하고 패키지 내부 crack이나 보드와의 전기적인 Solder 접합부 파손으로 Device 본래의 기능을 갖지 못하게 될 수도 있습니다.


▲ 과도한 Smile face Warpage로 인한 SMT공정 중 발생할 수 있는 open / short 불량

사진출처 : Chip Scale Review Magazine (http://goo.gl/UjYbty)


▲ 과도한 Cry face Warpage로 인한 SMT 불량

사진출처 : 특허청 (http://goo.gl/KzHGfC)


패키지 warpage 레벨 요구 조건


과연 실장 때 불량을 막으려면 패키지의 Warpage는 얼마로 관리되어야 하고 고객의 요구 수준은 얼마나 될까요? 15mm 이하의 크기는 1년 전만 해도 80㎛ 이내였다가, 최근에는 50㎛, 심지어 Solder가 녹는 220℃ 이상의 온도 구간에서 20㎛ 이내를 요구하기도 합니다. 앞에서 A4 용지 두께를 생각해 보시면 얼마나 변형이 적어야 하는지 아시겠지요? 이 criteria를 맞추기 위해 얼마나 고생하는지 아마 모르실 겁니다.


참고로, 30~50mm 크기의 비교적 큰 패키지는 200~250㎛ 이내를 요구합니다. 50mm 크기면 손바닥 반 만한 크기인데, 변형을 A4 종이 2장 겹친 것보다 작게 할 수 있을까요? 이것도 정말 쉽지 않답니다. 하지만 우리 앰코는 불가능을 가능으로 만들지요. 대단하지 않나요? (^^)


앗, 그럼 패키지 만병의 근원인 Warpage는 왜 발생하는 걸까요? 그리고 그것을 최소화하기 위한 방법은 무엇일까요? 다음 호에 계속 됩니다.




WRITTEN BY 손은숙

건강하고 다재다능한 명품 패키지 개발을 주업으로, 울트라 캡 잔소리꾼이지만 때로는 허당 엄마를 부업으로, 하루하루를 열심히 사는 40대 꽃중년 아줌마입니다.





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  1. 솔솔 2016.07.01 09:19 신고 Address Modify/Delete Reply

    오래기다렸습니다
    좋은 글 올려주셔서 감사합니다!!



1. KAIST, 종이 찢듯 그래핀 자르는 기술 개발 (2016-01-25 뉴시스)


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종이를 찢듯이 그래핀을 원하는 모양으로 자를 수 있는 기술이 개발됐다. 반도체와 투명 디스플레이의 핵심 소재로 주목받는 그래핀은 전기 전도성과 강도가 뛰어나고 유연해 '꿈의 신소재'로 불리지만 탄소가 벌집형태로 강하게 결합해 있어 결합을 끊어내는 과정에서 손상이 일어나게 된다.

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2. 일본 도시바, 낸드플래시에 올인…1위 삼성에 도전장 (2016-01-25 이투데이)


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일본 도시바가 낸드플래시 메모리 사업에 ‘올인’한다. 도시바가 낸드플래시 메모리를 제외한 반도체 사업을 오는 3월말까지 매각하는 방안을 추진하고 있다고 25일(현지시간) 일본 니혼게이자이신문이 보도했다. 분식회계 파문에 휘말렸던 도시바는 수익성 회복을 향한 과감한 사업구조 개혁을 추진하고 있다.

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3. 작년 국내 스마트폰 샤오미·애플 따돌리고 호실적 (2016-01-25 미디어펜)


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지난해 전반적인 수출 부진 속에 정보통신기술(ICT) 분야 수출도 1.9% 줄어든 것으로 나타났다. 무역수지 흑자는 800억달러대를 유지했다. 25일 미래창조과학부에 따르면 지난해 ICT 수출은 전년보다 1.9% 감소한 1728억9000만달러, 수입은 3.6% 증가한 913억2000만달러로 집계됐다. 무역수지는 전년(881억 달러)보다는 감소해 815억6000만달러에 그쳤지만 2013년 이후 3년 연속 800억 달러를 넘는 수준을 지켰다.

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4. ABB, 작업자와 협업가능한 산업용 양팔 로봇 "YuMi" 국내 최초 공개 (2016-01-25 이데일리)


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다양한 산업분야에서 산업용 로봇을 이용하는 사례가 늘고 있다. 미국, 독일, 일본 등 전세계적으로 산업용 로봇 기술과 시장이 성장함에 따라 보다 정교한 작업 능률과 안전성을 갖춘 산업용 로봇이 등장하고 있는 상황이다. 우리나라도 마찬가지다. 로봇 산업의 규모가 커지고, 관련 업체의 수가 증가하면서 기술적으로 보다 완벽한 산업용 로봇의 등장을 기대할 수 있게 됐다.

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[건강한 반도체 이야기] 반도체 패키징이란?


안녕하세요! 2016년 한 해 동안 [반도체 이야기]를 풀어나갈 손은숙입니다. 처음 원고 청탁을 받았을 때 전형적인 이과생이라 말주변이 없어서 고사해 볼까도 생각했지만, 나름 20여 년을 앰코라는 큰 울타리에서 패키지와 함께 살았는데 그동안 쌓아온 지식을 이 지면을 통해 패키징에 대해 관심 있는 앰코인스토리 내외 독자분들과 공유하는 것도 의미가 있을 것 같아 감히 시작해 보려고 합니다.


어떤 내용으로 한 해 반도체 이야기를 꾸려 가는 게 좋을까 고민을 좀 했습니다. 그동안 [반도체 이야기] 칼럼의 주제들을 살펴보니, 주로 반도체 기술동향이나 application 별 원리, 반도체 소자 기초이론 및 Fab 제조공정에 대한 소개가 자세히 잘 이루어진 것 같습니다.


약 10여 년간 SEMI가 주최하는 ‘반도체 패키징 교육’에서 필자가 반도체 패키지 신뢰성 분야 강사로 발표를 하면서 매해 주제가 바뀌는데도 패키지 신뢰성 부분은 늘 관심이 많다고 해마다 강사로 초청해 주십니다. 매해 100여 명이 넘게 교육을 신청하시는데요, 그 수와 구성원들을 보고 놀란답니다.


필자가 학교 다닐 때만 해도 학교에서는 패키징에 대해서는 전혀 소개되지 않았지만 요즘엔 패키징을 전문적으로 연구하시는 교수님들도 많고 전문학회도 있다 보니 이미 학교에서도 패키징에 대해 알고 입사 지원하는 분들을 볼 수 있고, 패키징 관련 재료 및 장비산업체에서도 패키징에 대한 관심이 매우 높다는 것을 알 수 있었습니다.


필자가 주로 연구소에서 앰코 내 개발 및 생산되는 패키지의 신뢰성 및 고객들이 요구하는 기계적, 열적, 전기적 특성들을 예측 및 분석하고 불량 원인에 대해 연구하므로, 필자가 그나마 잘 알고 있고 패키징 전문 회사에서만 말해줄 수 있는 패키지의 신뢰성 및 패키지가 가져야 하는 여러 가지 특성에 대해 소개해 드리면 어떨까 합니다. 그래서 올해 동안 풀어갈 주제로 건강하고 다재다능한 반도체 패키지 이야기라고 붙여 보았습니다.


올해 전반부는 건강한 패키지에 대해, 후반부는 건강은 기본으로 하되 반도체 application 별로 고객들이 요구하는 여러 가지 다재다능한 패키지 특성들에 대해 설명을 하겠습니다.


반도체 패키징이란?


반도체 산업 영역은 크게 IC (Integrated Circuit) Chip design > IC Wafer Fabrication > Packaging > Test로 나눌 수 있습니다.


▲ 반도체 제조 과정


그 중 Amkor는 Packaging과 Test 전문 회사이지요. Si wafer에 가공된 IC chip은 그 자체만으로는 반도체 소자로 구실을 할 수 없기에 반드시 패키징을 통해 IC chip에 있는 전기적인 신호 단자를 전자제품 보드에 물리적으로 연결하여 전기적 신호가 전달될 수 있도록 신호 path를 만들어 줘야 합니다. IC chip과 보드 사이에 전기적으로 신호만 연결해 주면 그 소자의 동작여부는 확인할 수 있겠지만, 실제 사용자 환경에서 전자제품의 기능을 가지려면 보통 Si 결정으로 만들어진 IC chip은 외부충격으로부터 깨지기 쉽기 때문에 chip을 감싸서 보호해야 하고 장시간 사용환경에서 견딜 수 있도록 하기 위해 신뢰성 있는 패키징을 해야만 합니다.


반도체 패키징의 기본적인 목적


반도체 패키징의 기본적인 목적은 크게 아래 세 가지로 요약할 수 있습니다. 


1. IC chip과 사용 전자제품의 보드까지 전기적인 신호 연결

2. 깨지기 쉬운 Si IC chip 보호

3. 다양한 사용 환경에서 장시간 사용할 수 있도록 신뢰성 확보


다양한 반도체 패키지 종류 


반도체 패키지는 위의 기본적인 세 가지 기능 이외에, 응용분야별로 요구하는 기술적인 조건에 따라 다양한 종류의 패키지가 있습니다. 어떤 응용분야건 간에, 패키지 크기는 경박단소(Lighter, Thinner, Shorter, Smaller)를 기본으로, 전기적으로는 저전력 소모, 안정적이고 빠른 신호 배선 설계, 열적으로는 효율적인 열방출기술이 요구되면서 가격경쟁력이 있는 저가의 패키징 기술이 현재 가장 큰 트렌드인 것이 사실이지요.

 

▲ 다양한 반도체 패키지 종류


일반적인 패키징 공정 순서


일반적인 반도체 패키징 순서는 아래와 같습니다.


▲ 반도체 패키징 공정 순서


▲ 반도체 패키징 내부


이미 다 알고 계신다고요? 혹시나 반도체 패키징을 잘 모르는 외부독자들을 위해 소개 차원에서 간단하게 언급하였으니 양해 바랍니다. ^^ 


자, 그렇다면 패키징이 기능과 종류, 공정 순서 등에 대해 이미 어느 정도 알고 있다는 전제하에, 이미 패키징이 완료된 반도체 소자는 플라스틱 tray나 reel & tape 등과 같은 carrier에 담겨 박스 포장되어 고객사나 PCB(Printed Circuit Board)에 실장하기 위해 실장전문업체로 보내게 됩니다. PCB에 실장이 되어야 구동할 수 있는 전원도 공급받고, 소자 간에 전기적인 신호를 주고받으면서 전자제품으로서 설계된 기능을 할 수 있는 것입니다.


필자가 올해 [반도체 이야기] 주제를 건강한 패키지라고 했는데요, 완성된 반도체 패키지가 PCB 보드에 실장될 때 얼마나 건강한지 1차 평가를 받게 됩니다. 그럼, 1차 건강 검진 항목이 뭘까요? 궁금하시지요? 다음 호에서 계속 이어가겠습니다.




WRITTEN BY 손은숙

건강하고 다재다능한 명품 패키지 개발을 주업으로, 울트라 캡 잔소리꾼이지만 때로는 허당 엄마를 부업으로, 하루하루를 열심히 사는 40대 꽃중년 아줌마입니다.





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  1. 2016.01.22 11:01 Address Modify/Delete Reply

    비밀댓글입니다

    • 손은숙 2016.01.27 13:09 신고 Address Modify/Delete

      안녕하세요? 윤대현씨, 관심 가져 주셔서 감사합니다.
      case 별로 제한적이긴 하겠지만 일반적인 범위에선 답변 드리도록 하겠습니다. 메일 주소로 연락 드리겠습니다.

  2. 바이오인 2016.01.27 08:58 신고 Address Modify/Delete Reply

    이쪽분야는 아니지만~평소 반도체패키징에대해서 궁금했었어요~그런데 님글을보니 아~~ 이런거였구나 했어요~쉽게 잘 쓰셔서 이해 되었네요~감사합니다~^^

    • 손은숙 2016.01.27 13:05 신고 Address Modify/Delete

      도움이 되셨다니 감사하네요. 외부에서도 저희 회사 "앰코인스토리" 많이 보신다더니 댓글을 보니 실감이 나네요.

  3. 김도형 2016.02.10 20:52 신고 Address Modify/Delete Reply

    잘 봤습니다...^^.. 잘 지내시죠?

  4. 박지우 2016.10.20 18:10 신고 Address Modify/Delete Reply

    좋은 자료라 출처를 밝히고 퍼가겠습니다.
    혹시라도 불편하시면 바로 내리겠습니다.
    감사합니다.


지난 호 무선조종 엠버에 이어 이번 호에 소개할 반이의 장난감은 따라와! 폴리입니다. 브룸스타운 구조대의 리더 폴리는 언제나 용감하고 빠르기 때문에, 반이가 가장 좋아하는 캐릭터랍니다. 시리즈 주인공인 만큼 장난감으로도 가장 많은 종류가 판매되고 있습니다.


▲ 따라와! 폴리

사진출처 : http://goo.gl/mPnVst


따라와! 폴리는 로보카 폴리 본체와 경광봉으로 구성되어 있습니다. 폴리 머리 쪽에는 버튼이 있어서 이것을 누르면 로보카 폴리 주제가가 흘러나오면서 아래 영상처럼 폴리가 전후좌우로 신나게 춤을 춥니다. 경광봉으로는 두 가지 동작을 명령할 수 있는데요, 경광봉을 흔들면 폴리가 ‘삐요삐요~!’ 사이렌을 울리면서 악당을 추격하는 것처럼 앞으로 전속력으로 달립니다. 그리고 경광봉 중앙의 노란색 버튼을 누르고 있으면 일명 ‘따라와’ 기능이 발동하는데요, 폴리가 제자리에서 몇 차례 이쪽저쪽으로 회전하다가 곧 경광봉 쪽으로 따라오기 시작합니다.


▲ 따라와! 폴리 동작

사진출처 : http://goo.gl/CeAIiL


따라와! 폴리 언박싱 및 작동 모습

영상출처 : https://youtu.be/usAoBn1U7BY


그렇다면 폴리는 어떤 원리로 경광봉을 따라오는 것일까요? 아래 사진은 경광봉 내부기판 모습입니다. 오른쪽에는 건전지를 꽂는 부분이 있고, 중간 부분에는 희끄무레한 LED 3개가 보입니다. 노란색 스위치를 누르면 그 LED들에서 빨간빛이 나옵니다. 그런데 가만히 보니 왼쪽 끝 부분에 LED가 하나 더 보입니다. 하지만 노란색 스위치를 눌러도 이 LED에서는 빛이 나지 않습니다. 어떻게 된 것일까요?


▲ 따라와! 폴리 경광봉


이 LED에서는 우리가 볼 수 있다는 뜻을 가진 가시광선(Visibile light)이 아닌 적외선(IR : Infrared)이 나오므로 IRED(Infrared emitting diode)라고 합니다. 적외선은 우리 눈에 보이지 않습니다. 가시광선이 프리즘에 통과된 햇빛의 색깔, 즉 우리가 흔히 말하는 빨주노초파남보의 무지개색이라고 한다면, 적외선은 빨간색 아래 범위의 파장을 가진 광선입니다. 그래서 붉을 적(赤), 바깥 외(外), 줄 선(線)을 써서 적외선이라고 합니다. 비록 우리 눈에는 보이지 않지만 아래 영상과 같이 스마트폰 등의 카메라를 사용하면 적외선이 발광하는 것을 확인할 수 있습니다. 영상 속에서 일반 LED는 강한 붉은빛을 내뿜지만, IRED에서 작은 불빛이 반짝이는 것이 보입니다.


IRED 발광

영상출처 : https://youtu.be/Guu4GkRSwBk


한편, 이렇게 발광한 적외선은 어떻게 될까요? 아래 사진은 따라와! 폴리 본체 내부 모습입니다. 폴리의 앞부분을 자세히 살펴보니 이곳에도 LED처럼 보이는 것이 있네요. 경광봉에 있던 IRED가 적외선을 방출하는 ‘발광 다이오드’라면, 이것은 방출된 적외선을 받아들이는 ‘수광 다이오드’입니다.


▲ 따라와! 폴리 본체 내부


경광봉 버튼을 누르는 동안 발광 다이오드에서는, 경광봉을 따라오라는 명령이 포함된 고유한 주파수의 (약 37[㎑] : 이 주파수가 외부의 적외선이나 조명의 영향을 거의 받지 않고 해당 명령을 전송할 수 있다고 합니다) 적외선이 나오고, 수광 다이오드는 이를 받아들여서 폴리 본체 내부의 기판 회로로 전달합니다. 회로에서는 받아들인 신호에서 ‘따라오라는 명령’이 들어 있는 것을 읽어내고, 경광봉 쪽으로 폴리가 움직이도록 모터를 돌려주는 명령을 내려주게 되는 것이지요. 경광봉의 위치는 두 개의 수광 다이오드가 각각 받은 신호에서 멀고 가까운 것을 인식하고 보정해서 알려주게 되어 있습니다.


그러고 보니 이러한 동작은 우리가 생활하면서 많이 접해 본 것 같네요. 바로 TV, 에어컨 등의 리모컨을 작동할 때로군요! 대부분 리모컨도 따라와! 폴리와 같이 IRED 방식으로 작동합니다. 또한, 지금처럼 스마트폰이 보급되기 이전의 휴대전화에서는 적외선 통신 포트가 있었는데요, 두 대의 휴대전화를 나란히 놓아 포트를 마주 보게 하고 파일을 주고받았던 적도 있었지요.


한편, 최근의 스마트폰에서는 아래 사진처럼 리모컨 앱을 설치하고 별도의 리모컨 동글을 부착하면 스마트폰을 리모컨으로 사용할 수 있습니다. 이 리모컨 동글에도 IRED가 들어 있어 적외선을 쏠 수 있기에 가능한 기능입니다.


▲ 스마트폰 리모컨 동글

사진출처 : http://goo.gl/kXLukW



연재를 처음 시작할 때 “엄마! 아빠!”를 부르는 것이 고작이었던 반이가 열 달이 지난 지금은 노래도 하고 피아노도 치고 레슬링으로 아빠를 넘어뜨린 후 “빅토리!”를 외칠 정도로 훌쩍 자랐습니다. 엊그제에는 예쁜 동생도 생겼답니다. 올 한 해 각 가정의 반이들을 키우느라 고생 많으신 반이아빠, 반이엄마, 그리고 졸필이나마 [반이아빠의 장난감 속 반도체]를 읽어주신 독자 여러분 가정에 2016년 행복과 사랑이 넘치길 기원합니다.



감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장


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CVD (Chemical Vapor Deposition)



(지난 호에서 이어집니다)

박막을 형성하는 다른 방법은 화학반응이 수반되는 것으로 화학기상증착(化學氣狀蒸着) 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition)라고 부릅니다. 웨이퍼 위에 공급되는 휘발성 전구체(precursor)가 웨이퍼 위에서 분해(전구체를 분해하는 방법은 대표적으로 열을 이용하는 것과 플라스마를 이용하는 것이 있습니다)된 후 화학반응을 통해 원하는 박막이 형성되는 원리입니다. 화학반응에 따른 부산물은 휘발성으로 펌프에 의해 배기되어 제거됩니다.

PVD가 주로 금속 박막을 형성하는 데 사용한다면 CVD는 PVD로 형성하기 어려운 유전체(誘電體) 박막을 형성하는 데 사용됩니다. CVD는 반도체 박막 공정에서 많이 사용되는 공정으로써 화학반응을 유도하는 방법에 따라, 작동 압력에 따라, 플라스마 생성 방법에 따라(모든 CVD가 플라스마를 이용하는 것은 아니고, 일부 플라스마를 이용하는 CVD가 있습니다), 기타 방법에 따라 그 종류도 무척 많습니다. 역시 이렇게 설명을 하면 좀 어렵지요? 예를 들어 봅시다.

이왕이면 좀 비싼 것을 만들어볼까요? 다이아몬드는 어떤가요? 지난 3월호에서 슈퍼맨이 석탄으로부터 다이아몬드를 만드는 것을 소개했는데, 반도체 공정을 배운 우리는 CVD 방법으로 한 번 만들어보겠습니다. 원리는 간단합니다. 탄소 원자가 결정(結晶) 형태로 기판(基板) 위에서 자라도록 하면 됩니다. 탄소원자가 포함된 분자가스(메탄가스)를 주로 사용하는데 이 분자가스를 플라스마에 의해 원자나 이온 형태로 만들어주면 기판 위에서 다이아몬드 결정체로 자라게 됩니다. 물론가스 공급량과 압력 및 온도 등, 복잡한 공정조건을 만족시켜 줘야 우수한 성질의 다이아몬드가 형성되겠지요. 이렇게 형성된 다이아몬드는 보석류로 사용되는 것이 아니고, 다이아몬드의 독특한 특성(우수한 열전도 특성 및 단단한 특성 등)을 필요로 하는 산업계에서 주로 사용하고 있답니다.


▲ CVD로 다이아몬드 박막 만들기


위의 PVD에서 step coverage라는 것을 설명했는데, 일반적으로 CVD 방법을 이용하면 PVD보다 우수한 step coverage를 얻습니다. 그 때문에 좁고 깊은 우물 형태나 울퉁불퉁한 형태 위에 균일한 두께로 막을 입히기 위해서는 PVD보다 CVD를 선호하여 사용합니다.


ECD (ElectroChemical Deposition)



사람들은 금에 환호하지요, 매우 귀하기 때문일 것입니다. 누구나 갖고 싶어 하지만, 누구나 가질 수 없기에 귀한 것이겠지요. 아래 사진의 금 거북이 갖고 싶지 않나요? 하지만 너무 비쌀 것 같습니다. 좀 저렴하게 장만해 볼까요? 도금을 이용하면 됩니다. 도금(鍍金)이란 어떤 물체의 표면 상태를 본 재료의 성질보다 더 유용하게 하려고 다른 물질을 해당 물체의 표면에 얇게 입히는 것을 말합니다(위키백과 참고).

그럼 어떤 원리에 의해 도금이 이루어지는 걸까요? 금속 이온이 포함된 용액에 어떤 물체를 담급니다. 그런 후에 그 물체의 표면에 전자를 공급해 주면 금속이온이 중성의 금속으로 물체의 표면에 막 형태로 석출(析出)되는 것입니다. 물체의 표면에 전자를 어떻게 공급해 주느냐에 따라서 전해도금과 무전해도금으로 나뉩니다. 반도체 공정에서는 일반적으로 전해도금을 사용하며 일부에서 무전해도금을 사용하기도 한답니다. 최근의 미세한 구리 배선은 주로 전해도금(ElectroChemical Deposition, ECD)에 의해 형성됩니다.


▲ 서울무형문화재 사진

사진출처 : http://bit.ly/1NIvSj4


반도체 기술이 발전하면서 점점 많은 부품이 한 칩에 고밀도로 집적(集積)되고, 구리 배선의 공정도 무척 미세해졌습니다. 구리 배선은 ECD에 의해서 형성된다고 앞서 설명했지만, 포토 공정에 의해서 패턴이 형성되어야 합니다. 포토 공정은 마스크(또는 레티클)라고 하는 이미 원하는 패턴을 형성해 놓은 것에 빛을 조사해서 그림자가 지도록 하는 것이 핵심 원리입니다. 그런데 그림자가 그려지는 바닥이 평평하지 않고 울퉁불퉁하면 그림자의 모양에 왜곡이 생기겠지요.

미세한 그림자를 형성해주기 위해서는 아주 평평한 바닥을 만들어주는 것이 매우 중요합니다. 반도체 공정에서는 이러한 공정을 평탄화 공정이라고 부르며 주로 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 이용합니다. 우리 말로 번역하면, 화학적 기계 연마라고 하면 될까요? 아무튼, 말뜻을 보면 갈아낸다는 뜻이 들어있는 것 같고, 화학적인 무엇인가가 가미된 것 같은 느낌이 듭니다. 표면이 단일 물질이 아니고 두 개 이상의 다른 물질로 이루어진 경우에 기계적 연마만 하게 되면 각 물질이 연마되는 정도가 달라서 평탄한 표면을 기대하기 어려워집니다. 이 경우에 적당한 화학물질을 가미해서 성질을 변화시켜서 연마 정도가 비슷해지도록 해주면 될 것 같습니다. 아래 사진을 보면 CMP를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 배선 차이를 알 수 있습니다. 왼쪽의 경우는 미세한 패턴을 형성하기 어렵겠지요?


사진출처 : Specialty abrasives For Chemical Planarization, 2005~2010


이제 Fab의 주요공정들을 거의 모두 다룬 듯합니다. 이렇게 해서 MOSFET 및 구리 배선과 마지막 알루미늄 패드까지 완료된 웨이퍼는 그 자체로 사용할 수는 없고 외부로부터 전원을 공급받고 신호를 주고받을 수 있도록, 또한 외부 환경으로부터 안전하게 보호하기 위해 패키징 해야 합니다. 앰코가 가장 잘하는 영역이므로 간단하게 설명하고 마치도록 하겠습니다.

최근에는 Fab 공정만으로는 칩이 최적의 성능을 낼 수가 없어서 패키징 기술에 반도체 제품의 최종 성능이 좌우되는 상황입니다. 고객이 원하는 성능을 낼 수 있도록 패키징 각각의 공정에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다만, 이 글의 목적은 반도체에 대한 기본적인 이해를 위한 것이므로 깊이 들어가지는 않겠습니다.


가장 먼저, 웨이퍼 상에 있는 각각의 칩을 분리해야겠지요. 우리는 이 공정을 다이싱 또는 쏘잉이라고 부릅니다. 이렇게 분리된 개개의 칩은 적당한 기판 위에 올려지고 칩과 기판 사이에 전기적 연결을 하고, 와이어 본딩과 플립칩 본딩이 주로 사용됩니다. 칩과 본딩을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 몰딩을 시행하기도 합니다. 때에 따라서는 보드에 최종 장착할 수 있도록 하려고 솔더볼을 형성하기도 합니다. 이제 반도체 제품이 완성되었습니다. 원하는 곳에 이 제품을 실장하면 됩니다.



이렇게 해서 1년간의 반도체 이야기 여정을 마치려고 합니다. 이제 여러분은 반도체가 발명되어서 발전되어 온 역사를 이해하게 되었고, 반도체가 무엇인지와 어떤 성질을 가졌는지에 대해 공부하였으며 최종적으로 어떻게 제조가 되는지에 대해서 전체적으로 알게 되었습니다. 물론 깊은 지식의 수준까지 다루지는 않았지만, 우리가 다루고 있는 반도체 제품에 대해 이해하기에는 부족함이 없을 것이라고 생각합니다.

필자는 1년 동안 원고를 준비하면서 우리가 다루지 않는 영역을 주로 다루고 우리가 잘 이해하고 있는 패키징 영역은 십여 줄로 간단하게 설명하고 마무리하였는데, 독자 여러분이 경험하지 못한 영역에 대한 폭넓은 이해를 위함이었습니다. 여러분 고생이 많았습니다. 원고를 시작하면서 어떻게 이야기를 끌고 갈지에 대해 막막했던 기억이 납니다만, 벌써 1년의 세월이 훌쩍 지나버리고 마지막 호를 대하고 있습니다.

반도체의 원리는 양자역학이라는 어려운 학문으로 설명되는 것이라서 어떻게 쉽게 설명을 할까 난감하기도 했고요, 지나고 생각하니 저자는 정말 재미있었습니다. 독자 여러분, 고생하셨습니다. 하나의 반도체 제품이 탄생하는데 이렇게 수많은 사람의 노력이 있었고 여러분이 그 한 영역에서 일하고 있다는 자부심을 가지시기를 희망합니다. 한 해가 저물어 갑니다. 되돌아보면 잘했던 것보다 잘하지 못했던 것이 더 많은 것 같은데요, 사실은 잘했던 것은 망각하고 잘하지 못했던 것이 기억에 더 남기 때문일 것입니다. 자신을 더 사랑하고 더 소중히 여겼으면 좋겠습니다.



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  1. 이경준 2016.02.13 22:13 신고 Address Modify/Delete Reply

    백종식 연구원님
    연구원님의 글을 보고 반도체 공부를 한지 오래 된 취업준비생으로서 반도체를 다시 한번 공부 할 수 있는 용기를 얻게 되었습니다. 이해하기 쉽게 하나 하나 자세히 설명해주셔서 감사드립니다. 마지막까지 좋은 말씀 해주셨네요. 제 자신을 더 사랑하고 소중히 여기겠습니다. 그리고 훗날 반도체 업계에 종사하게 된다면 꼭 한번 뵙고 싶습니다.
    정말 잘 읽었습니다.
    이경준 올림.

  2. 백종식 2016.11.01 17:04 신고 Address Modify/Delete Reply

    도움이 되셨다니 다행입니다, 어려운 내용을 쉽게 설명하려고 노력했습니다만 정성적인 설명이 갖는 한계를 극복하기는 어려웠습니다.
    취업을 준비하신다니 좋은 결실 있으시기를 바랍니다.
    더 궁금하신 것이 있으면 메모 남겨주시면 성심껏 답변 드리겠습니다.


MOSFET 트랜지스터의 소스, 게이트, 그리고 드레인 영역이 만들어졌습니다. 이제 각각의 트랜지스터 배선과 인터커넥션을 하도록 하겠습니다.


▲ 반도체 공정 flow

사진출처 : http://goo.gl/34yAgQ


초기에 알루미늄으로 배선과 인터커넥션을 하다가 칩의 집적도와 기능이 향상되면서 구리로 배선과 인터커넥션을 바꾸었습니다. 또한, 근접한 배선들 사이의 상호간섭을 줄이기 위해 유전상수가 낮은 유전재료를 사용하게 되었습니다. 이들 배선 및 유전층은 박막(薄膜, thin film) 형태로 제조되며, 성막(成幕, deposition) 공정과 평탄화(平坦化, CMP) 공정이 주요 공정으로 사용되고 있습니다.

박막은 여러 가지 방법으로 제조할 수 있습니다. 그중에서 반도체 공정에 많이 쓰이는 PVD(Pysical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), ECD(ElectroChemical Deposition) 등에 대해서 살펴봅시다.


PVD (Pysical Vapor Deposition)



PVD는 물리기상증착(物理氣狀蒸着)이라고도 불리는데요, 증기형태의 물질을 웨이퍼 위에 응결시켜서 원하는 박막을 형성하는 것을 말하며 진공증착(眞空蒸着)이라는 말도 쓰입니다. 진공이라는 말이 사용된 이유는, 박막이 형성되는 챔버의 분위기가 일반 대기압(大氣壓) 상태가 아닌 진공상태에 있기 때문입니다. 사전적인 표현을 쓰면 아무래도 이해하는 데 어려움이 있지요? 웨이퍼 위에 어떤 물질을 얇게 입히고 싶은데, 그 물질을 기체상태로 만들어 웨이퍼 위에 뿌려 얇은 막을 입히는 것을 말합니다.

그 물질을 기체 상태로 만드는 방법이 몇 가지 있는데, 그중 높은 온도로 끓여 기체상태를 만드는 evaporative deposition 방법과 플라스마를 이용해서 기체 상태를 만드는 sputter depsotion 방법을 소개하도록 하겠습니다.


Evaporative deposition은 소스재료를 끓이기 위해 저항가열(抵抗加熱)을 이용하기도 하고 전자(電子)빔을 이용하기도 합니다. 녹는 온도가 너무 높아 저항가열을 이용하기 어려운 경우에 전자빔을 이용하는데, 어느 것을 이용하든 기본 원리는 도가니 속에서 소스재료를 가열시켜 끓인 후에 그 증기가 웨이퍼 위에 달라붙게 하는 것입니다. 아래 그림에 보면 target이라고 되어 있는 소스재료를 e-beam(전자빔)이 가열하고 있지요? 전자빔은 전류가 흐르는 뜨거운 필라멘트에서 튀어나온 열전자(熱電子)로써 자기장에 의해 로렌츠의 힘을 받아 휘어져 들어와 (지난 호에 이온 임플란테이션에서 이온의 방향이 휘는 것을 설명했지요? 전자는 질량이 작아서 질량이 큰 이온에 비해서 훨씬 많이 휩니다) 도가니 속에 들어있는 소스재료를 때리게 되어있습니다.

증착되는 박막이 오염되지 않은 순수한 물질이 되게 하려고 일반적으로 챔버는 진공상태를 유지합니다. 도가니 속에서 끓고 있는 소스재료는 표면으로 증기를 내뿜는데, 진공상태에서는 소스재료의 증기가 공기와 거의 부딪히지 않고 (얼마나 높은 진공 분위기를 만들었느냐에 따라 다릅니다) 직선으로 날아와 웨이퍼 표면에 부딪힙니다. 운석이 날아와 지구와 부딪혀 공룡을 멸종시켰다고 하는 운석충돌설이 있습니다. 운석이 어떻게 지구의 생물을 멸종시킬 만큼 큰 파괴력을 가진 것일까요?

비밀은 진공에 있습니다. 우리가 경험하는 지구 속에서의 세상은 공기가 가득 차 있으므로 공기 저항 때문에 물체 속도가 제한받지요. 하지만 진공 속에서는 얘기가 다릅니다. 공기 저항이 없기 때문에 행성 간 충돌 등에 의해 부서진 바위 조각들이 수없이 먼 거리를 달려오는 동안 속도는 거의 하나도 줄지 않고 어마어마한 속도로 우주 속을 날고 있는 것입니다. 때로 어느 천체의 중력에 의해 휘면서 속도가 더 붙기도 했을 테고요. 이런 속도가 주는 파괴력은 어마어마합니다.


▲ Evaporative deposition

사진출처 : (좌)http://goo.gl/bUWGnY / (우)http://goo.gl/T4hI6K


진공 속을 달려가는 금속증기도 웨이퍼에 닿기까지 거의 공기와 부딪히지 않으므로 소스 표면에서 튀어나온 방향대로 직선운동을 합니다. 이로 인해 웨이퍼 표면에 계단 모양의 단차가 있는 경우 (포토 레지스트를 패터닝하게 되면 포토레지스트의 두께 때문에 계단 모양의 단차가 생깁니다) 벽면에는 박막이 거의 형성되지 않습니다. 이를 전문적인 용어로 ‘step coverage가 좋지 않다’라고 표현합니다. 웨이퍼가 소스에 대해 회전하는 경우 금속증기의 입사빔은 직선 형태로 날아오지만 웨이퍼가 회전하므로 웨이퍼 입장에서 보면 비스듬하게 빔이 입사되는 것으로 생각할 수 있겠습니다. 증기가 비스듬하게 입사되면 step coverage가 좋아집니다. 웨이퍼 표면의 온도를 높여주면 표면에서의 원자 이동이 활발해져서 step coverage를 더 좋아지게 합니다.


▲ 웨이퍼와 step coverage


하지만 고의로 step coverage가 좋지 않도록 하는 경우가 있습니다. Lift-off라는 공정이 있는데 식각 공정 없이 금속을 패터닝 하는 공정입니다만, 깊이 들어가지는 않겠습니다.


요즘에는 sputter deposition이 evaporative deposition을 대체하는 추세입니다. evaporative deposition에서는 소스재료를 증기화 하는데 열을 사용했다면 sputter deposition에서는 소스재료를 증기화하는데 이온을 사용합니다. 이온은 중성원자에서 전자를 떼어낸 것으로, 질량은 중성원자와 거의 같으며 전하를 갖고 있어서 전기장에 의해 가속이 되어 운동량을 갖습니다. 운동량을 갖는 이온으로 소스재료를 때리면 그 운동량이 소스재료에 전달되어 소스재료의 원자가 튀어 나가게 되는데, 이렇게 튀어 나간 원자가 웨이퍼 표면에 도달하여 증착되는 원리입니다. 물리 용어는 언제 들어도 머리가 아프지요? 쉽게 설명해 보겠습니다.

필자는 어렸을 때 친구들과 구슬치기를 하고 놀았던 기억이 납니다. 모여있는 구슬에 제 구슬을 던져서 튀어 나간 구슬들을 따는 것이지요. 어떤 원리로 구슬들이 튀어 나가는 것일까요? 내가 던진 구슬은 질량과 속도를 갖고 있는데, 질량과 속도를 곱한 값을 ‘운동량’이라고 합니다. 즉, 질량이나 속도가 크면 운동량이 커지는 셈입니다.

운석이 지구와 충돌하면 왜 파괴력이 큰가요? 바로 속도 때문입니다. 속도가 느려도 질량이 크면 역시 파괴력이 큽니다. 질량과 속도가 모두 크면? 아, 상상만 해도 끔찍합니다. 구슬치기에서 커다란 구슬(필자는 왕구슬이라고 불렀습니다)을 던지면 무척 많은 구슬들이 튀어나갔던 기억이 납니다. 질량이 크기 때문에 운동량이 많았던 것입니다. 내가 던진 구슬이 다른 구슬에 맞으면 운동량을 다른 구슬에 전달하여 그 구슬이 운동량을 갖게 되는데 운동량을 갖는다는 말은 속도가 ‘0’이 아니라는 말입니다.

바꾸어 말하면, 그 구슬이 움직이게 된다는 것이지요. Sputter deposition에서 이온은 내가 던진 구슬과 같습니다. 소스재료는 모여 있는 구슬과 같겠지요. 그럼 이온을 어떻게 던질까요? 바로 전기장을 이용한답니다. 이온은 전기장에 의해 가속이 되므로 내가 구슬을 던진 것처럼 이온은 전기장에 의해 던져집니다. 내가 던진 구슬이 운동량을 가진 것처럼 가속되어 움직이는 이온도 운동량을 갖겠지요. (운동량은 질량과 속도의 곱이라고 했습니다) 이렇게 운동량을 갖는 이온은 소스재료에 부딪혀 소스재료에 운동량을 전달하여 소스재료가 운동량을 갖게 됩니다. 즉, 소스재료가 속도를 갖는다는 것이고, 이는 소스재료가 튀어 나간다는 것을 의미합니다. 이렇게 튀어 나간 소스재료는 웨이퍼 표면에 도달하여 달라붙게 됩니다.


▲ 구슬치기와 Sputter deposition

사진출처 : (좌)http://goo.gl/6HoxAp 


Sputter deposition에서 이온을 만드는 원리는 이온 임플란테이션에서 이온을 만드는 원리와 비슷하므로 자세한 설명은 생략하겠습니다. (다음 호에 계속)



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