자이스, 반도체 패키지 불량 분석(FA) 속도 수십 배 향상

자이스 크로스빔 레이저, 펨토세컨드 레이저와 갈륨이온 FIB 및 전계방사형(FE) SEM을 단일 툴에 통합

자이스(ZEISS)가 반도체 패키지 작업의 패키지 불량 분석(FA) 및 공정 최적화 속도를 종전보다 수십 배 더 빠르게 향상시키는 새로운 자이스 크로스빔 레이저(ZEISS Crossbeam Laser)를 출시했다.

이 제품은 자이스 FIB-SEM(focused ion beam-scanning electron microscope) 솔루션의 새로운 제품군이다. 새로운 자이스 크로스빔 레이저는 첨단 반도체 패키지 작업의 패키지 불량 분석(FA) 및 공정 최적화 속도를 종전보다 수십 배 더 빠르게 향상시킨다.

빠른 속도를 구현하기 위해 펨토세컨드 레이저를, 정확도를 높이기 위해 갈륨이온(Ga+) 빔을, 그리고 나노급 해상도의 이미징을 위해 SEM을 통합한 자이스 크로스빔 레이저 제품군은 패키지 엔지니어와 불량 분석 작업자들에게 업계 최고의 이미징 성능으로 가장 빠른 단면 분석 솔루션을 제공하면서 샘플 손상을 최소화한다.

고유한 아키텍처를 채택하고 있는 자이스 크로스빔 레이저 제품군은 코퍼 필라(Cu-pillar) 솔더 범프와 TSV(through silicon via) 같이 깊숙이 매립된 패키지 인터커넥트는 물론, 디바이스 BEOL(back-end-of-line)과 FEOL(front-end-of-line) 구조의 단면 확인에 걸리는 시간을 타사 장비 혹은 분석 기술 사용시 수 시간에서 수 일까지 걸리던 것을 불과 수 분 정도로 획기적으로 단축한다. 또한 진공 상태에서 아티팩트를 최소화할 뿐 아니라 샘플 품질도 일관성 있게 유지한다.

불량 분석 외에도, 자이스 크로스빔 레이저 제품군은 구조적 분석(SA), 구조 분석(CA), 리버스 엔지니어링, FIB Tomography 및 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 샘플 준비 등에 활용할 수 있다. 자이스 크로스빔 레이저 시스템은 이미 몇몇 주요 글로벌 전자 제조사에 판매된 상태다.

3D 패키징의 불량 원인 파악 분석을 위한 새로운 접근법

모바일 기기와 고성능 디바이스 분야에서 소형화와 인터커넥트 고밀화에 대한 요구가 점점 더 높아짐에 따라 미세 피치 및 멀티칩 아키텍처 구현을 위한 혁신 기술들도 폭발적으로 늘어나고 있다. 이러한 혁신 기술들은 패키징 인터커넥트 크기의 축소와 함께 인터커넥트 구조의3 차원화를 주도하고 있다. 이와 함께, 이들 패키지 내부 깊숙이 감춰진 새로운 결함의 종류들도 늘어나고 있는데, 이들 결함은 수율과 신뢰성에 영향을 줄 수 있으므로 신속하게 확인 및 제거하는 것이 중요하다.

불량 분석 워크플로우에서는 패키지 공정 최적화와 패키지 수율 향상을 위한 첫 단계로서 비파괴 분석이 이루어진다. 자이스 엑스라디아 버사 3D 엑스레이 현미경(ZEISS Xradia Versa 3D X-ray microscope) 장비는 비파괴적으로 결함의 위치를 시각화 하는 데 활용된다. 이렇게 불량의 위치를 파악한 후에는 파괴적인 물리적 불량 분석(PFA) 조치를 통해 불량의 근본 원인을 확인 및 해결할 수 있다.

오늘날에는 패키지 인터커넥트와 실리콘 BEOL 등이 교차 사용 중이다. PFA에 널리 사용되고 있는 기계적 단면 분석은 이제는 깊숙이 매립된 구조와 결함 위치에 빠르고 정확하게 도달하기에는 어려움이 있다. 뿐만 아니라 실리콘 BEOL에 극도의 low-k 유전체 같이 깨지기 쉬운 물질을 적용할 경우, 단면 작업으로 인해 아티팩트가 점점 더 많이 발생해 어떤 결함이 칩과 패키지 간 인터랙션에 의해 발생한 진정한 결함인지 판별하기가 어려워질 수 있다.

플라즈마 FIB(PFIB)가 하나의 대안이 될 수 있지만, 이 접근법은 펨토세컨드 레이저에 비하면 10,000배 느리다. 이렇게 느린 속도로는 많은 패키지 FA 애플리케이션에서 요구하는 실질적인 타임프레임으로 0.5mm³ 이상의 절제(ablation) 물량을 소화할 수가 없다. 또한, PFIB는 고품질 TEM 샘플 준비에 필요한 분해능 성능이 떨어지며, 반도체 패키지에서 일반적인 탄소계 물질에 리본 아티팩트를 유발한다.

독립형 레이저 시스템은 절제 시간은 빠르지만, 열에 영향을 받는 면적이 넓어 관심 영역에 대한 손상 가능성이 크고 아티팩트 제거를 위한 연마 시간이 늘어난다. 또한, FIB-SEM과의 통합성이 부족해 FA 작업 속도가 더디고 효율성이 떨어질 뿐 아니라, 분석 작업 전에 공기중에 노출되면 산화의 위험성도 있다.

자이스는 현재 패키징 업계는 변곡점에 와 있다고 평가한다. 단일 실리콘 인터포저 상에 백만 개의 I/O가 연결될 정도로 밀도가 점점 더 높아지고 있고, 웨이퍼 팹에서 회선 선폭 축소가 계속 이어지듯 인터커넥트도 축소되기 시작했다는 것.

“적층은 도처에서 진행되고 있다. 디바이스 자체에서, 패키지 레이어들 사이에서, 그리고 PCB 내부에서도 일어난다. 이러한 요인들 때문에 이제는 한 곳에서 불량이 발생하면, 결함을 격리하고 분석하기가 예전보다 훨씬 더 어렵다”
– 라즈 자미(Raj Jammy) 사장, 자이스 공정제어솔루션(PCS) 및 칼 자이스 SMT(Carl Zeiss SMT, Inc.)

자이스 크로스빔 레이저 제품군은 FA 엔지니어가 감당해야 하는 이러한 압박들을 경감해 줄 수 있도록 설계되었으며, 속도와 정확성 그리고 고해상 이미징 특성을 모두 하나의 장비에 통합한 최상의 접근법을 통해 가히 혁명적이라 할 만한 결과 도출 시간 단축 효과를 제공한다는 설명이다.

자이스 크로스빔 레이저 제품군은 결과 도출 시간을 극적으로 향상할 뿐 아니라 최고의 이미징 성능을 제공하는 최적의 PFA 솔루션을 제공한다.

주요 특징은 다음과 같다:

* 최소한의 아티팩트로 대량의 제거가 가능한 펨토세컨드 레이저(최대 1mm²의 실리콘을 30분만에 처리. 다른 기술을 적용할 경우 수 시간에서 수 일 소요)
* 최고의 이미지 품질과 분석법을 제공하는 자이스의 제미니 광학 기술(Gemini optics)
* 자이스 Ga+FIB는 비정질화를 최소화하기 위해 500V 미세 연마와 함께 100nA 고속 밀링 기술 구현
* FIB 분해능(3nm 이하)을 사용하여 정확한 국부화한 엔드 포인팅
* 레이저 밀링 과정에서 발생하는 오염물을 메인 이미징 챔버로부터 분리함으로써 이미지 해상도를 최고 수준으로 유지함과 동시에 유지관리 비용도 최소화하는 독립된 레이저 챔버
* FIB-SEM과 레이저 챔버 간에 진공을 유지하면서 챔버 간 손쉽게 샘플 이동 가능
* 실리콘 카바이드와 유리 등을 포함한 대부분 물질들을 레이저 가공 가능

자이스 크로스빔 레이저와 자이스 엑스레디아 VersaXRM을 함께 사용하면 표준 FA 워크플로우보다 더 높은 FA 성공률과 더 빠른 문제해결 시간을 달성할 수 있다.

자세한 정보는 www.zeiss.com/pcs 에서 확인할 수 있다.