반도체 패키징 검사, 성능과 속도 한 번에 잡았다-기존보다 100배 넓은 면적 한 번에 검사, 표면 미세 결함까지 확인 가능

반도체 패키징 검사, 성능과 속도 한 번에 잡았다-기존보다 100배 넓은 면적 한 번에 검사, 표면 미세 결함까지 확인 가능

 

2020-12-11

 

반도체 패키징 검사, 성능과 속도 한 번에 잡았다
- 기존보다 100배 넓은 면적 한 번에 검사, 표면 미세 결함까지 확인 가능 -
- 높은 분해능 갖는 광학식 측정 장비, 산업계 첫 도입 기대 -

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 차세대 첨단부품 표면의 미세 결함을 정밀하면서도 빠르게 검사할 수 있는 측정기술을 개발하는 데 성공했다. 이번 기술은 시제품 형태로 제작돼, 산업 분야에 즉시 투입이 가능하다.

KRISS 첨단측정장비연구소 안희경 선임연구원은 수백 나노미터(㎚·1 ㎚는 10억분의 1 m) 수준의 정밀한 분해능으로 첨단부품 표면의 흠집 등 미세 결함을 빠르게 검사할 측정기술을 개발했다.

이 기술을 적용한 측정 장비는 기존 산업계에서 쓰이는 100배율 렌즈가 장착된 장비보다 자세하게 표면을 관찰할 수 있고, 한 번에 관찰할 수 있는 면적이 100배 정도 넓다.

반도체는 스마트기기, 인공지능, 5세대(5G) 이동통신, 사물인터넷(IoT) 등에 탑재되는 주요 부품으로 주목받고 있다. 손바닥 크기의 모바일 기기는 물론, 착용형 기기에도 반도체를 사용하면서 반도체 패키징* 소형화의 중요성이 커지고 있다.
* 반도체 패키징: 회로가 설계된 반도체 칩에 전기적 특성 등을 전달할 수 있도록 연결하고 외부환경(충격, 습기)으로부터 안전하게 보호하는 기술

반도체 패키징이 소형화된 만큼, 생산과정에서 생기는 표면의 흠집 등의 결함을 세밀하게 검사하는 기술도 요구되고 있다. 수 마이크로미터 수준으로 작아지는 반도체 패키징을 검사하려면 높은 분해능이 필요하다.
◦ 분해능은 신호 측정방법 또는 측정 장비의 한계 성능을 나타내는 지표로, 분해능이 높을수록 성능이 좋아 정밀하고 정확한 측정이 가능하다.

최근 LED와 저배율 대물렌즈를 이용해 물체를 여러 각도에서 비추고 반사되는 신호를 병합해 분해능을 높이는 광학식 측정 연구가 산업계의 주목을 받고 있다. 높은 분해능으로 넓은 영역을 측정할 수 있다는 장점이 있지만, 시간이 오래 걸려 산업계에서 바로 적용하기 어려웠다.

이 기술은 넓은 측정영역을 조각으로 나눠 관찰하고, 각 조각에 대한 오차를 모두 계산해야 한다. 최종적으로 넓은 측정영역을 얻는 데 많은 시간이 소요되는 것이다. 반도체 공정에서 생산 효율을 높이려면 검사 시간 단축이 필수적이기에 해결이 필요했다.

KRISS 안희경 선임연구원은 새로운 알고리즘을 개발해 이를 극복했다. 이 기술의 핵심은 하나의 조각에 대해서만 오차를 계산해 그 결과를 모든 조각에 적용할 수 있다는 데 있다. 이 기술의 장점인 높은 분해능을 가지면서도, 시간이 오래 걸린다는 단점을 해결한 것이다.
◦ 이 기술을 사용하면 1 mm × 1 mm의 이미지를 250 나노미터 이하 분해능으로 16분 만에 검사할 수 있다. 2018년 기술을 기준으로 하면 같은 면적을 검사하는데 약 3시간이 소요됐다.

안희경 선임연구원은 “병렬 처리와 같은 기술을 사용해 처리 속도를 최적화한다면 반도체, 디스플레이의 표면 검사와 같이 수백 나노미터 이하의 분해능이 요구되는 산업 분야에 즉시 투입이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 기술은 광계측 장비 및 모듈 전문기업인 ㈜넥센서에 기술이전됐으며, 국제학술지 옵틱스 앤 레이저스 인 엔지니어링(Optics and Lasers in Engineering, IF:4.273)에 게재됐다.

붙임1
연구성과 추가 설명

○ 용어 설명

‧ 분해능(resolution): 서로 떨어져 있는 두 점을 서로 구별할 수 있는 능력을 의미하며, 보통 광학기기의 성능을 나타낼 때 사용됨

‧ 서브-마이크로미터(sub-μm): 마이크로미터(μm)는 10-6 m를 가리키며, 서브-마이크로미터는 보통 이보다 작은 수백 나노미터(10-9 m) 수준을 의미함

○ 어디에 사용할 수 있나?

1. 고부가가치 최첨단 산업분야
- 플렉서블 디스플레이, 반도체 웨이퍼 레벨 패키징 표면 결함 검출 등
반도체 패키징, 디스플레이 등이 점차 소형화됨에 따라 기존 광학 측정 장비의 분해능 한계로 측정이 불가한 미세한 결함을 고속으로 검출 가능, 향후 신수요 창출을 위한 검사‧측정 장비의 개발이 가능하다.

2. 우주국방 분야
– 초정밀 광학 부품 검사
미래 산업을 선도하는 인공위성, 무인 항공기 등에서 활용되는 초미세 광학부품을 정밀하게 검사 가능하다.

○ 논문 및 기술이전 관련 정보

- 논문명: “Rapid misalignment correction method in reflective Fourier ptychographic microscopy for full field of view reconstruction” (Optics and Lasers in Engineering)
- 논문 주소: https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106418
- 기술이전: ㈜넥센서(www.nexensor.com)에 기술이전(2020. 11. 13.)

붙임2
연구성과 사진

 

▲ KRISS 개발 측정기술
(좌: 개략도, 우: 실험 장비 사진)

 

▲ KRISS 개발 측정기술을 적용한 실험 결과
(USAF 타겟 측정결과, 진폭(좌), 위상(우))
*USAF 타겟: 광학기기의 분해능을 파악할 때 사용하는 기준 시료

 

▲ 스마트폰 내의 IC(집적회로) 측정결과
[b1,c1,d1,e1(100배율 현미경으로 측정한 결과)와 비교해서
b2,c2,d2,e2(KRISS의 측정기술로 측정한 결과)에서
화살표에 보이는 미세한 패턴들이 훨씬 명확하게 관찰됨을 확인할 수 있음]

 

 

 

▲ KRISS 안희경 선임연구원이 개발한 장비로 측정실험을 진행하고 있다.

 

▲ KRISS 안희경 선임연구원(좌), 전병혁 책임기술원(우)

붙임3
안희경 선임연구원 프로필

1. 인적사항
○ 성 명 : 안희경
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소
○ 직 위 : 선임연구원

 

2. 경력사항
○ 2016–현재, 한국표준과학연구원 선임연구원

3. 수상실적
○ 2015: 신명 최우수 학위논문상
○ 2015: 군사과학기술경진대회 학술논문 부문 동상

4. 전문 분야 정보
○ 고분해능 3차원 형상 측정기술, 가상증강현실 광특성 평가기술, 고출력 레이저 빔결합 위상제어 기술 등

5. 발표논문 및 특허
○ “Rapid misalignment correction method in reflective Fourier ptychographic microscopy for full field of view reconstruction” Opt. Lasers. Eng. 138 (2021) 등 SCI급 다수
○ "정렬오차 보정이 가능한 반사형 FPM 및 이를 이용한 보정방법" 등 국내외 특허 다수