웨이퍼 생산은 복잡한 공정이다. 웨이퍼를 시험하려면 탐침 바늘이 반드시 한 쪽에서 마이크로미터 단위를 측정하는 접촉 패드에 유도돼야 한다. 이러한 공정에 대한 제어는 EMC 보호와 신뢰성에 대한 극단적 요구를 충족시켜야만 한다. 캐스케이드(Cascade) 사는 최적의 솔루션을 찾기 위해 시장을 조사했고, 그 해답을 B&R에서 찾았다.

다기능 오븐, 디지털 시계, 토스터 및 GPS 내비게이션 장치의 공통점은 무엇인가? 간단하다. 이들은 모두 실리콘 웨이퍼로 만들어진 마이크로 칩에 의존한다. 오늘날의 소비자 시장에서 마이크로 칩이 없는 제품을 찾는 것은 거의 도전과 마찬가지다. 거대한 애플리케이션 대역폭은 반도체 구성품 개발자들에 대한 도전을 제공한다. 그들은 지속적으로 점점 더 작은 크기의 칩에 더 많은 기능을, 게다가 언제나 더 낮은 생산비용으로 통합해야 한다는 지속적인 압력에 직면하고 있다. 이미 당신의 손목에 채워진 스마트 워치는 십년 전에 당신이 사용하던 사무실 PC보다도 더욱 저렴하고 더 강력하다.

웨이퍼라고 알려진 얇은 반도체 물질 조각은 수십억 개의 트랜지스터 및 그밖의 구성품과 함께 1,000개 이상의 칩을 포함하고 있으며, 그 직경은 300mm이다. 이러한 복잡성으로 인해 새로운 설계의 개발과 타당성 확인, 그리고 생산 방법은 매우 중요한 공정이 됐다. 그럼에도 불구하고 개발에 할당된 시간은 빠른 속도로 줄어들고 있다.

철저한 시험으로 보장되는 품질
새롭게 개발된 구성품 기능의 타당성을 확인하고 일단 연속 생산에 도달한 후에 일관성 있는 품질을 보장하기 위해 웨이퍼는 생산 직후 프로브 스테이션에서 광범위한 시험을 거친다. 각 웨이퍼는 측정 챔버로 보내지고, 척을 사용해 마이크로미터 단위의 정밀도를 갖는 위치로 고정되며, 특정 온도로 가열된다. 탐침 바늘은 칩 상의 특정하게 지정된 접촉 지점으로 유도된다. 그 자체만으로도 제어 캐비닛 여러 개를 채울 수 있는 외부의 측정과 시험 계측기는 시험 프로그램을 기반으로 여러 가지 위치를 요구하며 그 다음에 측정을 시작하게 된다.

시험은 -55°C에서 300°C의 범위에 달하는 온도에서 수행된다. 애플리케이션에 따라 측정되는 전류는 수 펨토암페어(소수점 이하 0의 수가 15개인 수치 또는 초당 6,250개의 전자 흐름)에서부터 400암페어까지의 범위에 도달할 수 있다. 예를 들어, 자동차 레이더 시스템에서 사용되는 칩에서는 측정 주파수가 기가헤르츠 범위에 달하거나 수 펨토파라드 같은 미량의 충전/방전 용량을 측정하는 일이 드물지 않다. 그러므로 요건 규격의 특징은 모든 전자파 장해 발생원을 제거하는 것이다.

시험 중 간섭 방지하는 하이테크 측정 챔버
캐스케이드마이크로테크 지엠비에이치(Cascade Microtech GmbH)는 캐스케이드마이크로테크 아이엔씨(Cascade Microtech Inc.)의 자회사로서 본사를 미국 오리건주 비버턴(Beaverton)에 두고 있으며, 이러한 요건에 대해 친숙하다.
이 회사는 웨이퍼 검사 솔루션 분야의 세계적인 선도 제조사로서 1992년에 처음으로 특허를 받은 프로빙 스테이션을 소개한 후 이 제품을 꾸준히 발전시켜 왔다. 정밀 포지셔닝 기술개발에 대한 50년의 경험을 통해 축적된 관련 공정에서의 숙련된 기술은 일상적인 운영에 통합됐다.

	▲ 드레스덴 사무소 연구개발 부장 요르그 키제베테 박사

캐스케이드마이크로테크 드레스덴 사무소의 탐침 시스템 연구개발 부장인 요르그 키제베테(Jorg Kiesewetter) 박사는 “주어진 조건 하에서 한 쪽에 단 30마이크로미터를 측정하는 접촉 패드로 탐침 바늘을 유도하기 위해서는 고려해야 할 여러 가지 요소가 있다”고 설명했다. 참고로, 이 드레스덴 사무소에서는 140명의 직원이 IBM, 인텔 및 인피니온과 같은 반도체 생산회사뿐 아니라, 유럽 최대의 나노급 및 마이크로급 전자공학 연구센터인 ‘대학 공동 마이크로 전자공학 센터(Interuniversity Microelectronics Center : IMEC)’와 같은 많은 기관을 포함해 전 세계의 800개사 이상의 고객을 위한 시스템을 개발 및 제작하고 있다.

정밀 포지셔닝
필요한 정밀도를 달성하는 문제에 대해, 캐스케이드마이크로테크의 전문가들은 190개에 달하는 놀라운 양의 특허로 증명된 여러 가지 기계적 및 전기적 해결책을 감춰두고 있다. 예를 들어, 포지셔닝 단계에 대한 25개축 중의 여러 개 혹은 디지털 카메라나 그밖의 보조 기기는 냉각을 필요로 한다. 이에 대해 키제베테 박사는 “칩의 전기 접점 품질을 직접 측정하는 것은 불가능하므로 이 공정이 본질적으로 신뢰성을 갖추는 것이 중요하다”고 설명했다.

단 한 번에 몇 마이크로미터씩 포지셔닝 오류가 발생하면 웨이퍼 전체 또는 만개 이상의 접점을 가지는 탐침 카드가 못쓰게 된다. 이것은 회사 명성에 먹칠을 하는 것뿐 아니라, 수십만 유로의 손실로 이어진다. 게다가 요건은 계속해서 빠르게 강화되고 있다.

“접촉 패드는 귀중한 표면적을 점유하기 때문에 계속적으로 점점 더 작아지고 있다. 머지않아 한 쪽이 사람 머리카락 단면적의 1/4 보다도 더 작은 크기인 20마이크로미터에 도달할 것이다.”

그 위에 장치 사용자에 의해 제기되는 수많은 특별한 요청도 있다. 증가하는 요구사항에 발맞추기 위해 캐스케이드마이크로테크는 3년 전에 새로운 컨트롤러 설계 개념의 평가를 시작했다.

모듈화로 개발 가속화
장기적 제품 가용성, EMC 보호 및 글로벌 영업과 지원 네트워크에 대한 접근 외에도, 제어 시스템의 모듈화는 핵심적 기준이다. 또한, 기존의 C++ 프로그램 코드의 개발을 지속하는 것도 필요할 것이다. 여기에 B&R은 가장 설득력 있는 솔루션을 제안했으며, 캐스케이드마이크로테크는 이미 추가 장치에 이를 구현할 계획을 세우고 있다. 설계자들은 다양한 모션 제어 태스크에 대해 DC 모터를 사용할지, 스테퍼 모터를 사용할지를 자유롭게 선택할 수 있다.

B&R의 축 제어를 위한 Generic Motion Control 소프트웨어를 사용함으로써 캐스케이드마이크로테크는 하드웨어와 소프트웨어를 별도로 유지하고 어떠한 코드 변동에 대한 요구도 없이 상이한 유형의 모터를 수용하는 것이 가능해졌다. 키제베테 박사는 “우리가 달성한 완벽한 모듈화는 개발시간을 현저히 단축하는 데 도움이 됐다”면서, “라이프치히에 있는 B&R 전문가 엔지니어들로부터의 탁월한 기술지원은 우리의 귀중한 시간을 절약할 수 있도록 했다”고 말했다.

B&R산업자동화 제공

FA Journal 편 집 국 (fa@infothe.com)

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