[반도체 후공정 10편] 반도체 패키지의 역할과 재료(2) – 웨이퍼 레벨 패키지(10/11)

패키지별 재료의 특성에 관해 알아보는 두 번째 시간이다. 이번 시간에는 웨이퍼 상태에서 패키지 공정을 진행하는 ‘웨이퍼 레벨 패키지’ 재료에 대해 설명하겠다.

#1. 포토 레지스트(Photo Resist, PR)

포토 레지스트는 용해 가능한 고분자와 빛 에너지에 의해 분해 또는 가교(결합, 연결) 등의 화학적인 반응을 일으키는 물질을 용매에 녹인 혼합 조성물이다. 웨이퍼 레벨 패키지 공정에서는 포토 공정에서 구현하고자 하는 패턴(Pattern)을 형성하고, 뒤이어 진행되는 후속 전해도금 공정에서 포토 레지스트가 없는 부분에 도금으로 금속 배선을 형성하는 배리어(Barrier) 역할을 한다. 포토 레지스트는 <표 1>과 같은 물질로 구성되어 있다.

▲ 표 1. 포토 레지스트 구성 물질과 역할(ⓒ한올출판사)

포토 레지스트는 빛에 반응하는 성질에 따라 포지티브 레지스트(Positive Resist)와 네거티브 레지스트(Negative Resist)로 나뉜다. 포지티브 레지스트는 빛을 받은 영역에 분해 작용(Decomposition)이 일어나 약해지고, 빛을 받지 않은 부분은 가교 결합(Cross Link)*이 일어나서 결합이 강해지는 특성이 있다. 따라서 빛을 받은 노광 영역은 현상(Develop) 시 제거된다. 반면에 네거티브 레지스트는 빛을 받은 부분에 가교 결합이 발생하여 단단해지므로, 현상 시 빛을 받은 영역이 남아있고, 빛을 받지 않은 영역이 제거된다. 일반적으로 네거티브 레지스트가 포지티브 레지스트보다 점도가 높아서 스핀 코팅 공정에서 더욱 두껍게 포토 레지스트를 입힐 수 있다. 때문에 솔더 범프(Solder Bump)를 높게 형성해야 할 때는 네거티브 레지스트를 이용하거나 포지티브 레지스트를 2번 이상 코팅한다.

* 가교 결합(Cross Link): 고분자 사슬을 화학결합을 통해 연결하는 화학반응

반도체가 스케일 다운되면서 더 미세한 패턴을 형성할 수 있도록 파장이 짧은 빛들이 포토 공정에 사용되었고, 포토 레지스트는 그에 맞춰 발전해 왔다. g-line/i-line*용 포토레지스트는 용액 억제형(Photo Active Compound, PAC)이 사용되고, 그보다 더 작은 파장에는 화학 증폭형이 사용된다. 웨이퍼 레벨 패키지는 현재 i-line 스텝퍼(Stepper)*에 사용되는 포토 레지스트를 주로 사용하고 있다.

* g-line/i-line: 고압 수은(Hg) 램프의 방출 스펙트럼에서 파생되는 광원의 종류이다. g-line(436nm), i-line(356nm)
* 스텝퍼(Stepper): 웨이퍼 노광을 위한 장비 중 하나. 웨이퍼 노광은 광원의 종류에 따라 정밀도에 맞춰 다양한 다른 장비를 사용해 진행한다.

#2. 도금 용액

도금 용액은 전해도금에서 사용된다. 도금될 금속 이온(Metal Ion), 이온들이 용액 속에 녹아 있게 만드는 용매가 되는 산(Acid), 그리고 도금 용액 및 도금층의 특성을 강화하는 여러 첨가제(Additive)로 구성되어 있다. 전해도금 공정으로 도금될 수 있는 금속들은 니켈(Ni), 금(Au), 구리(Cu), 주석(Sn), 주석 은 합금(SnAg) 등이 있다. 이들은 도금 용액 속에 이온 상태로 존재한다. 용매로는 황산(H2SO4), 메탄술폰산(CH4O3S) 등이 주로 사용된다. 첨가제는 아래 <그림1>과 같이 도금층의 표면을 평탄하게 만드는 레벨러(Leveler)*, 도금 입자를 미세화시켜 주는 입자 미세제(Grain Refiner)* 등이 있다.

* 레벨러(Leveler): 도금 용액의 첨가제 중 하나. 전자가 모이는 곳에 달라붙어 도금을 방해하고 성장을 억제하여, 전체적으로 도금면을 평탄하게 만든다.
* 입자 미세제(Grain Refiner): 도금 용액의 첨가제 중 하나. 도금 입자의 측면 성장을 억제하여 입자가 미세하게 성장하게 만든다.

▲ 그림 1. 도금 용액 첨가제의 역할(ⓒ한올출판사)

#3. PR 스트리퍼(Stripper)

도금 공정이 완료되면 포토 레지스트를 제거해야 한다. 이때 사용하는 재료가 PR 스트리퍼이다. PR 스트리퍼는 포토 레지스트를 잔존물 없이 깨끗하게 제거하되, 웨이퍼에 대한 화학적 데미지(Damage)는 없어야 한다. [그림 2]는 PR 제거 과정을 모식도로 나타낸 것이다. 스트리퍼 내의 솔벤트(Solvent)가 접촉되는 PR 표면에 반응하여 부풀어 오르고(Swollen), 알칼리(Alkali)가 부풀어 오른 PR의 표면을 분해해서 용액 안으로 녹아 나오게 한다.

▲ 그림 2. 스트리퍼의 PR제거 과정(ⓒ한올출판사)

#4. 에천트(Etchant)

웨이퍼 레벨 공정에서 전해도금을 위한 시드(Seed)층을 형성하기 위해서는 스퍼터링(Sputtering)* 공정 진행이 필요하다. 형성된 금속층은 도금 후에 PR을 벗겨낸 후 제거되어야 한다. 이때 금속을 녹여내기 위해 주로 산(Acid) 계열의 에천트를 사용한다.

* 스퍼터링(Sputtering): 고에너지 이온을 금속 타깃에 충돌시켜 떨어져 나온 금속이온들이 웨이퍼 표면에 증착되게 하는 공정으로 PVD의 한 종류이다.

아래 <표 2>에 에천트의 주요 성분과 역할을 정리했다. 에천트는 녹여내는 금속에 따라 구리(Cu) 에천트, 타이타늄(Ti) 에천트, 은(Au) 에천트 등이 있다. 에천트는 특정 금속만 선택적으로 녹이고 다른 금속은 녹이지 않거나 덜 녹이는 에치 선택비(Etch Selectivity)가 있어야 한다. 또한, 공정 효율을 위해서 에치 속도(Etch Rate)가 높은 것이 유리하며 금속을 녹일 때 웨이퍼 내 위치에 상관없이 균일하게 녹이는 공정 균일성(Uniformity)도 좋아야 한다.

▲ 표 2. 에천트의 주요 성분과 역할(ⓒ한올출판사)

#5. 스퍼터 타깃(Sputter Target)

PVD* 중 스퍼터링 방식으로 금속 박막층을 웨이퍼에 형성할 때 스퍼터 타깃을 재료로 사용한다. <그림 3>은 이 타깃이 제조되는 공정을 보여준다. 스퍼터링해야 할 금속층과 같은 조성의 원재료를 구해서 원기둥으로 만들고 단조, 압착, 열처리 공정을 한 후에 타깃 형태로 만든다.

* PVD(Physical Vapor Deposition): 박막을 증착하는 공정은 2가지이다. 증착할 때 기체 상태가 고체 상태로 바뀌는 과정이 화학적 변화이면 CVD, 물리적으로 물질을 떼어내서 증착하는 방식이면 PVD이다.

▲ 그림 3. 스퍼터 타깃 제조 공정(ⓒ한올출판사)

언더필(Underfill)은 플립 칩(Flip Chip)같이 범프를 이용한 연결에서 서브스트레이트와 칩 사이 또는 칩과 칩 사이를 채워 접합부 신뢰성을 높이는 역할을 한다. 아래 <표3>에는 언더필에 사용되는 재료의 종류와 이를 이용한 공정을 정리했다.

▲ 표 3. 언더필 종류와 공정(ⓒ한올출판사)

#6. 언더필(Underfill)

언더필은 ▲범프를 이용한 본딩 후에 범프 사이를 채우는 공정(Post Filling)과 ▲본딩 전에 미리 언더필 재료를 접합부에 붙이는 공정(Pre-application)으로 나뉜다. ▲(Post Filling) 본딩 후 공정은 채우는 방법에 따라 다시 CUF(Capillary Underfill)와 MUF(Molded Underfill)로 분류한다. CUF는 칩 옆에서 캐필러리(Capillary)*로 언더필 재료를 분사하여 칩과 서브스트레이트 사이를 표면장력으로 채우는 공정이다. MUF는 몰딩 시 EMC(Epoxy Molding Compound)* 재료가 언더필 기능도 함께 수행하여 공정을 단순화한다.

* 캐필러리(Capillary): 가느다란 모세관
* EMC(Epoxy Molding Compound): 열에 의해 3차원 연결구조를 형성하는 열경화성 에폭시 고분자 재료와 무기 실리카 재료를 혼합한 복합 재료

▲ (Pre-application) 본딩 전에 언더필 재료를 적용하는 것은 칩 단위냐 웨이퍼 단위냐에 따라 다르다. 칩 단위의 경우 페이스트(Non-Conductive Paste, NCP)로 접합부를 채우냐, 필름(Non-Conductive Film, NCF)으로 채우냐에 따라 공정과 재료가 차이가 난다. 웨이퍼 단위로 언더필 재료를 적용할 때는 주로 필름 타입(NCF)을 사용한다.

언더필 재료는 플립 칩, TSV를 이용한 칩 적층 등에서 접합부의 신뢰성 확보를 위한 핵심 재료다. 따라서 충진성, 계면 접착력, 열팽창 계수, 열전도도, 내열성 등 다양한 요구 조건을 만족시켜야 한다.

#7. 캐리어(Carrier)와 접착제(Temporary Bonding Adhesive, TBA), 마운팅 테이프

WSS(Wafer Support System) 공정을 위해서는 얇은 웨이퍼를 지지할 수 있는 캐리어와 접착제 역할을 하는 TBA가 필요하다. 또한, 디본딩 후 앞면/뒷면에 범프가 형성된 얇은 웨이퍼를 원형 틀(Ring Frame)에 고정할 마운팅(Mounting) 테이프도 필요하다.

이 공정에서 핵심 재료는 TBA다. TSV 패키지를 만들 웨이퍼와 캐리어를 본딩했을 때, 웨이퍼의 범프 등에 손상을 주지 않으면서 백사이드 공정 중의 접합력은 강해야 한다. 그러므로 아웃개싱(Outgassing)*, 보이드 트랩(Void Trap)*, 박리(Delamination)도 없어야 하며 본딩 시에 웨이퍼 옆으로 접착제가 빠져나오는 블리드 아웃(Bleed Out) 현상 등도 없어야 한다. 이를 위해 열적 안정성과 내화학성은 필수다. 또한 캐리어를 떼어낼 때는 잔존물이 남지 않고 손쉽게 떨어져야 한다.

캐리어는 주로 실리콘(Si)이 선호되지만, 유리(Glass)도 많이 사용한다. 특히 디본딩 시 레이저 등의 빛을 사용해야 하는 공정에서는 반드시 유리를 사용한다.

* 아웃개싱(Outgassing): 진공도가 유지되지 않는 기체 누설의 한 형태
* 보이드 트랩(Void Trap): 기포로 발생하는 불량