[반도체 패키징] Chip level Package 공정(2) - 백그라인딩(Back Grinding)

지난 포스팅에서 Chip level Package 공정의 경우 백 그라인딩(Back Grinding)이라는 공정으로 시작한다고 했습니다.

이번 포스팅에서는 이 백 그라인딩 공정이 무엇인지 좀 더 자세히 알아보도록 할게요.

 

백 그라인딩 공정이란?

 우리가 나무로 의자를 만드는 과정을 생각해봅시다. 현재 우리는 큰 나무 덩어리를 가지고 있어요. 그러면 의자를 만드려면 가장 먼저 무엇을 해야할까요? 의자 다리, 몸통 등 우리가 사용하기 좋은 길이와 두께로 나무를 잘라 놓아야 할 겁니다. 

 패키징도 똑같습니다. 전공정을 통해 웨이퍼가 만들어져 패키징 공정으로 들어옵니다. 그럼 이 웨이퍼를 우리가 패키징 하기 좋은 크기와 두께로 만들어 놓아야 합니다. 이렇게 패키징 공정을 시작하며 웨이퍼의 두께를 조절하는 공정을 백 그라인딩 이라고 합니다. 

 즉, 백 그라인딩(Back Grinding)이란, 제작된 웨이퍼를 패키지 공정 및 특성에 적합한 두께로 만들기 위해 웨이퍼의 뒷면을 가공한 후 웨이퍼를 원형틀에 붙이는 공정을 의미합니다.

 

백 그라인딩 공정의 세부 과정

 백 그라인딩 공정은 총 4가지 단계로 구성됩니다. 간단하게 나열해보자면 다음과 같습니다.

 

Tape Laminating : 웨이퍼의 앞면에 보호용 테이프를 붙이는 공정

Back Grinding : 웨이퍼의 뒷면을 물리적으로 갈아내는 공정

Frame Mounting : 휜 웨이퍼를 펴서 원형틀에 고정시키는 공정

Front Side Protection Tape Removing : 처음에 붙여준 보호용 테이프를 제거하는 공정

 

Tape Laminating

 Tape Laminating 공정은 이름에서도 알 수 있듯이 본격적으로 백 그라인딩 공정을 진행하기 전에  웨이퍼의 앞면에 보호용 테이프를 붙이는 공정입니다.  

 백 그라인딩 공정은 큰 Wheel을 이용하여 웨이퍼의 뒷면을 갈아내는 공정입니다. 이 때, 그냥 백 그라인딩 공정을 진행하게 되면 웨이퍼의 앞면이 물리적인 손상을 입게될 수도 있습니다. 이를 막기 위해 진행하는 것이 Tape Laminating입니다. 즉, Tape Laminating은 백 그라인딩 공정 중에 웨이퍼의 앞면에 물리적인 손상이 생기지 않도록 보호하기 위해서 진행하는 공정입니다.

 

 여기서 간단한 질문 하나 드려볼게요. 웨이퍼의 앞면은 왜 중요할까요? 바로 웨이퍼의 앞면에는 전공정을 통해 회로가 구현되어 있기 때문입니다. 여기에 물리적 손상이 진행된다면 패키징 공정이 끝난 후 칩이 제대로 작동하지 못하겠죠??

 

Back Grinding

 이제 보호용 테이프도 붙였으니 마음 놓고 뒷면을 갈아내도 될 것 같습니다. 웨이퍼의 뒷면을 갈아내는 공정은 크게 3단계로 진행됩니다. 자세히 볼까요~

 먼저 입자의 크기가 큰 Wheel을 사용해서 목표 두께 근처까지 빠른 속도로 그라인딩을 진행해줍니다. 그 이후 미세하게 두께를 조절하기 위해 고운 입자를 가진 Wheel을 사용해 목표 두께까지 그라인딩을 진행합니다. 입자 크기가 큰 Wheel을 사용했을 때의 장점인 빠른 그라인딩 속도, 그리고 고운 입자를 가진 Wheel을 사용했을 때의 장점인 높은 정확도를 적절하게 결합한 방법인데요. 이렇게 함으로써 속도와 품질 두마리의 토끼를 모두 잡을 수 있습니다.

 하지만 우리가 그라인딩 해내야 하는 두께는 마이크로미터 단위이기 때문에 물리적인 기구인 Wheel로 표면의 거칠기가 거의 없게 갈아내기는 힘듭니다. 그렇기 때문에 추가적으로 진행하는 것이 바로, Polishing입니다. 입자가 굉장히 고운 Pad를 이용함으로써 표면 거칠기가 거의 없도록 가공해 낼 수 있습니다. 

 

주요 파라미터 - 표면 거칠기

 질문 하나 드리겠습니다. 표면의 거칠기가 없도록 하는 것이 왜 중요할까요? 표면 거칠기가 무엇이길래 그것을 제거하기 위해 Polishing을 추가로 진행하는 것일까요? 

 제조 공정에 하나의 공정을 더 추가한다는 것은 제조 비용의 증가로 이어집니다. 그럼에도 불구하고 포함시켜 공정을 진행한다는 것은 제조 비용의 증가를 상쇄할만한 효과가 존재한다는 뜻이지요. 이제 감이 오시나요?

 표면 거칠기를 줄이기 위해 Polishing을 진행하는 이유는 표면이 매끄러울수록 후속 공정에서 균열이 생길 확률이 낮아지기 때문입니다. 갈아낸 면이 거칠게 되면 후속 공정 중 응력이 가해졌을 때 균열이 발생하기 쉽우며, 그만큼 칩이 잘 깨지게 됩니다. 칩이 깨져버리면 앞에서 제조비용을 줄인 것이 무용지물이 되겠죠. 따라서 이런 이유로 Polishing 공정을 통해 균열의 시작점이 될만한 곳이 없도록 매끈하게 만들어 주는 겂니다. 후속 공정에서 칩이 깨질 확률을 현저하게 줄여줄 수 있다는 것을 감안하면 충분히 제조공정에 포함시킬만 하죠?

 

주요 파라미터 - 웨이퍼 두께

  백 그라인딩을 하기전, 웨이퍼의 두께는 일반적으로 720 ~ 760um정도입니다. 생각보다 두껍죠? 칩은 나노 스케일의 크기로 만들어지는데 웨이퍼는 마이크로미터 단위네요. 왜 그럴까요?

 그 이유는 단순합니다. 웨이퍼의 두께가 충분히 두꺼워야 웨이퍼 공정에서 취급하기가 쉬워지기 때문입니다. 웨이퍼가 얇아지면 얇아질수록 공정 중이나 이동 중에 깨지기 쉽고, 공정을 하면서 생기는 잔류 응력 때문에 쉽게 휘어지게 됩니다. 또한 너무 두껍다면 웨이퍼의 무게가 무거워져 장비에서 다루기가 힘들어 집니다. 따라서 적당한 웨이퍼의 두꼐를 유지하는 것이 중요합니다. 

 그러나, 현재 백 그라인딩 과정은 웨이퍼를 갈아서 얇게 만드는 과정입니다. '방금 웨이퍼가 너무 얇아지면 안좋다고 하지 않았나?'라고 생각하시는 분들도 계실겁니다. 패키지 공정에서도 적당한 두께를 가진 웨이퍼가 다루기 좋음에도 불구하고 웨이퍼를 얇게 만드는 이유는 후속 공정에 있습니다. 

 후속 공정을 웨이퍼를 얇게 갈아내지 않고 진행하게 되면 어떻게 될지 상상해봅시다. 두 가지 문제가 발생할 것 입니다.

첫째, Chip level package든 Wafer level Package든 결국엔 Chip으로 잘라내야 하기 때문에 절단 공정은 필수적입니다. 이 때, 웨이퍼가 두껍기 때문에 절단하기가 어려워지겠죠. 

둘째, 웨이퍼가 두껍다면, 칩도 두꺼워지기 때문에 패키지 또한 두꺼워 질수밖에 없습니다. 심지어 요즘들어서 패키지 하나에 칩이 하나 들어가는 경우는 드뭅니다. 이렇게 칩을 적재해가며 패키지를 할 때에는 더욱 두꺼워질 것이며, 만약 같은 크기의 패키지라면 훨씬 더 적은 칩이 들어가게 될 것입니다. 즉, 같은 부피에서 패키지의 성능이 떨어지는 것이죠. 

 이런 현상을 방지하기 위해 백 그라인딩을 진행합니다. 일반적으로 패키지에 칩이 하나 들어가는 경우에는 200 ~ 250um 정도로, 4개 들어가는 경우에는 100um이하로, 8개의 경우에는 50um 이하로 백 그라인딩을 진행하게 됩니다. 

Frame Mounting

 백 그라인딩 과정을 통해 웨이퍼의 두께를 충분히 얇게 만들어주었습니다. 그랬더니 생각치도 못한 문제가 발생하게 됩니다. 웨이퍼를 그라인딩을 하던 중에 생긴 잔류 응력때문에 수축이 발생하는 것 입니다. 이러한 현상은 웨이퍼의 얇기가 얇아질수록 더욱 심화되었고 우리가 백 그라인딩 공정에서 목표로하는 50um이하의 두께가 되면 거의 종이를 돌돌 말아 놓은 것처럼 웨이퍼가 휘는 현상이 발생하였습니다. 이런 현상으로 인해 후속 공정을 진행하는 것이 불가능 했기 때문에, 엔지니어들은 해결책을 찾아내야 했습니다. 어떤 방법을 사용했을까요? 생각해보세요. 여러분들도 생각해 낼 수 있는 간단한 방법입니다.

 정답은 '웨이퍼의 뒷면을 테이프로 고정한다'입니다. 이 때 이 테이프를 Mounting Tape라고 합니다. 즉, 백 그라인딩된 면을 Mounting Tape에 붙이고, 이 테이프를 원형틀에 붙임으로써 휘어진 웨이퍼를 펴서 후속 공정이 가능하도록 붙잡아 주는 방법을 사용한 것입니다. 이 방법은 Frame Mounting이라고 부릅니다.

 

Front Side Protection Tape Removing

 이제 백 그라인딩 공정에서 발생하는 문제를 모두 해결했습니다. 그럼 이제 그냥 다음 공정으로 넘어가면 될까요? 

매우 사소하면서도 중요한 걸 하나 빼먹었습니다. 바로 맨 처음에 웨이퍼 앞면에 붙여준 보호 테이프를 떼어주는 것입니다. 이 공정을 Front Side Protection Tape Removing이라고 합니다. 

 이 단계에서 가장 중요한 것은 테이프의 잔여물이 남지 않도록 하는 것입니다. 잔여물이 남을 경우, 후속 공정에서 결함이 발생될 수 있기 때문입니다. 따라서 테이프를 떼어내는 공정 조건의 설정이 매우 중요한 파라미터로 작용하게 됩니다. 이 때 공정 조건은 테이프의 재료가 어떤 것이냐에 따라 다르게 설정해 주어야 합니다. 즉 테이프의 재료와 공정 조건을 최적화 하는 것이 후속 패키지 공정을 원할하게 진행하기 위한 매우 중요한 과정이 되는 것이죠.