웨이퍼 생산은 복잡한 공정이다. 웨이퍼를 시험하려면 탐침 바늘이 반드시 한쪽에서 마이크로미터 단위를 측정하는 접촉 패드에 유도되어야 한다. 이러한 공정에 대한 제어는 EMC 보호와 신뢰성에 대한 극단적 요구를 충족시켜야만 한다. Cascade는 최적의 솔루션을 찾기 위해 시장을 조사하였고 B&R에서 그것을 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 도전이다. 거대한 애플리케이션 대역폭은 반도체 구성품 개발자들에 대한 현저한 도전을 제공한다. 그들은 지속적으로 점점 더 작은 크기의 칩에 점점 더 많은 기능을, 게다가 언제나 더 낮은 생산 비용으로 통합해야 한다는 지속적인 압력에 직면하고 있다. 이미 당신의 손목에 채워진 스마트 워치는 단 십 년 전에 당신이 사용하던 사무실 PC보다도 더 저렴하고 더 강력하다.
웨이퍼라고 알려진 얇은 반도체 물질 조각은 수십 억 개의 트랜지스터와 그 밖의 구성품과 함께 1,000 개 이상의 칩을 포함하고 현재 직경은 300 mm이다. 이러한 복잡성으로 인해 새로운 설계의 개발과 타당성 확인 그리고 생산 방법은 매우 중요한 공정이 되었다. 그럼에도 불구하고 개발에 할당된 시간은 빠른 속도로 줄어들고 있다.
철저한 시험으로 보장되는 품질
새로이 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 사용하여 마이크로미터 단위의 정밀도를 갖는 위치로 고정되며, 특정 온도로 가열된다. 탐침 바늘은 칩 상의 특정하게 지정된 접촉 지점으로 유도된다. 그 자체 만으로도 제어 캐비닛 여러 개를 채울 수 있는 외부의 측정과 시험 계측기는 시험 프로그램을 기반으로 하여 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 6,250 개의 전자 흐름)에서부터 400 암페어까지의 범위에 도달할 수 있다. 예를 들어 자동차 레이더 시스템에서 사용되는 칩에서는 측정 주파수가 기가 헤르츠 범위에 달하거나 수 펨토파라드와 같은 미량의 충전/방전 용량을 측정하는 일이 드물지 않다. 그러므로 요건 규격의 현저한 특징은 모든 전자파 장해 발생원을 제거하는 것이다.
시험 중에 간섭을 방지하는 하이 테크 측정 챔버
Cascade Microtech GmbH는 Cascade Microtech Inc.의 자회사로서 본사를 오리건 주 Beaverton에 두고 있으며 이러한 요건에 대해 친숙하다. 이 회사는 웨이퍼 검사 솔루션 분야의 세계적인 선도 제조사로서 1992년에 처음으로 그의 특허 받은 프로빙 스테이션을 소개하고 그 이후 이 제품을 발전시켜 왔다. 정밀 포지셔닝 기술 개발에 대한 50년의 경험으로 관련된 공정의 통달은 일상적 운영의 통합된 일부가 되었다.
“주어진 조건 하에서, 한 쪽에 단 30 마이크로미터를 측정하는 접촉 패드에 탐침 바늘을 유도하기 위해서는 고려해야 할 여러 가지 요소가 있습니다.” Jörg Kiesewetter 박사의 설명이다. kiesewetter는 Cascade Microtech의 드레스덴 사무소의 탐침 시스템에 대한 연구개발 부장이다. 여기에서 140명의 직원이 IBM, 인텔 및 인피니온과 같은 반도체 생산자뿐만 아니라 유럽 최대의 나노 급 및 마이크로 급 전자 공학 연구 센터인 대학 공동 마이크로 전자공학 센터(Interuniversity Microelectronics Center: IMEC)와 같은 많은 기관을 포함, 전세계의 800 이상의 고객을 위한 시스템을 개발하고 제작한다.
정밀 포지셔닝
필요한 정밀도를 달성하는 문제에 대해서, Cascade Microtech의 전문가들은 190 개에 달하는 놀라운 양의 특허에 의해 증명된 여러 가지 기계적 및 전기적 해결책을 감춰두고 있다. 이것은 예를 들어 포지셔닝 단계에 대한 25개 축 중의 여러 개, 디지털 카메라 및 그 밖의 보조 기기는 냉각을 필요로 한다. Kiesewetter는 이렇게 지적한다. “칩의 전기 접점 품질을 직접 측정하는 것은 불가능합니다. 그러므로 이 공정이 본질적으로 신뢰성을 갖추는 것이 중요합니다.”
단 한 번 몇 마이크로미터의 포지셔닝 오류가 발생하면 웨이퍼 전체 또는 10,000개 이상의 접점을 갖는 탐침 카드가 못쓰게 된다. 이것은 회사 명성에 먹칠을 하는 것 말고도 수십만 유로의 손실로 이어진다. 게다가 요건은 계속해서 빠르게 강화되고 있다. “접촉 패드는 귀중한 표면적을 점유하기 때문에 계속적으로 점점 더 작아지고 있습니다. 머지않아 한 쪽이 사람 머리카락 단면적의 1/4보다도 더 작은 크기인 20 마이크로미터에 도달할 것입니다.” 그 위에 장치 사용자에 의해 제기되는 수많은 특별한 요청이 있다. 증가하는 요구사항에 발맞추기 위해 Cascade Microtech는 3년 전에 새로운 컨트롤러 설계 개념의 평가를 시작하였다.
모듈화로 개발 가속화
장기적 제품 가용성, EMC 보호 및 글로벌 영업과 지원 네트워크에 대한 접근 이외에도, 제어 시스템의 모듈화는 핵심적 기준이다. 또한 기존의 C++ 프로그램 코드의 개발을 지속하는 것도 필요할 것이다. B&R은 가장 설득력 있는 솔루션을 제안하였으며, Cascade Microtech는 이미 추가 장치에 이것을 구현할 계획을 세우고 있다. 설계자들은 다양한 모션 제어 태스크에 대해 DC 모터를 사용할지 스텝퍼 모터를 사용할지를 자유로이 선택할 수 있다. B&R의 축 제어를 위한 Generic Motion Control 소프트웨어를 사용함으로써 Cascade Microtech는 하드웨어와 소프트웨어를 별도로 유지하고 어떠한 코드 변동에 대한 요구도 없이 상이한 유형의 모터를 수용하는 것이 가능하다. Kiesewetter는 전한다. “우리가 달성한 완벽한 모듈화는 개발 시간을 현저히 단축하는 데 도움이 되었습니다. 라이프치히에 있는 B&R 전문가 엔지니어들로부터의 탁월한 기술 지원은 우리의 귀중한 시간을 절약해주었습니다.”
