웨이퍼는 어떻게 칩 하나하나로 자를까? 백그라인딩과 다이싱

웨이퍼를 칩 하나하나로 만들려면 먼저 후공정 공장에서 뒷면을 갈아 얇게 만들고(백그라인딩, back grinding), 그다음 칩 사이에 남겨 둔 가는 틈(스크라이브 라인)을 따라 자른다. 이 단계를 웨이퍼 다이싱(wafer dicing)이라 하며, 웨이퍼 한 장에서 칩이 1,000개 넘게 나오는 경우가 많다. 자르는 방법은 크게 두 가지로, 아주 얇은 다이아몬드 블레이드로 자르거나 레이저를 쓴다.

다이싱은 전체 흐름에서 어디쯤인가?

칩이 웨이퍼 팹에서 완성되면 웨이퍼째 후공정 공장으로 보낸다(‘OSAT란?’ 참고). 순서는 대략 이렇다. 먼저 테스트하고, 얇게 갈아 자른 다음, 다이 본딩, 와이어 본딩, 몰딩을 거쳐 마지막으로 파이널 테스트를 한다. 이 글은 ‘얇게 갈고 자르는’ 부분을 다룬다. 그 뒤에 어떻게 패키징하는지는 ‘패키징이란?’을 참고하면 된다. 웨이퍼 전체를 한꺼번에 패키징하고 마지막에 자르는 패키지도 있다(‘팬아웃 패키징이란?’ 참고).

단계별로: 웨이퍼 한 장에서 칩 하나하나로

1단계: 어느 칩이 양품인지 먼저 안다

• 무엇을: 자르기 전에 프로브 카드의 가는 바늘로 칩 하나하나에 전원을 넣어 테스트하고(웨이퍼 테스트), 결과를 위치별로 웨이퍼 맵에 기록한다.
• 왜: 자르고 나면 1,000개 넘는 칩이 똑같이 생겨서, 양품과 불량은 이 맵으로 가려야 한다.
• 이렇게 하지 않으면: 불량 칩까지 패키징해 돈을 헛되이 쓴다. 테스트 방법은 ‘칩은 어떻게 테스트할까?’와 ‘프로브 카드란?’을 참고하면 된다.

2단계: 앞면에 보호 테이프를 붙인다

• 무엇을: 회로가 있는 면에 보호 테이프를 붙이고, 뒤집어 앞면이 아래로 가게 한다.
• 왜: 다음 단계에서는 누르면서 갈고 계속 물을 뿌린다. 앞면의 회로는 긁히기 쉽고, 실리콘 가루와 물이 스며들 수도 있다.
• 이렇게 하지 않으면: 앞면이 긁히거나 오염되면 그 칩들은 못 쓰게 된다.

3단계: 뒷면을 갈아 얇게 만든다

• 무엇을: 다이아몬드 입자를 박은 연삭 휠을 돌리면서 물을 뿌려 뒷면의 실리콘을 한 층씩 갈아 낸다. 먼저 거친 연삭으로 빠르게, 이어서 미세 연삭으로 평평하게 간다. 웨이퍼는 원래 두께가 700마이크로미터 남짓이다(1마이크로미터는 1,000분의 1밀리미터). 얼마나 갈아 낼지는 패키지에 따라 다르다. 절반 넘게 갈아 내는 경우가 많고, 휴대폰처럼 얇은 패키지나 칩을 쌓는 경우에만 수십에서 100마이크로미터 정도, 원래의 10분의 1가량까지 갈아 종이 한 장 두께에 가까워진다.
• 왜: 칩이 얇아야 패키지를 작고 얇게 만들어 휴대폰이나 이어폰에 넣을 수 있다. 열이 지나야 할 실리콘이 짧아져 열도 잘 빠진다. 칩 여러 개를 쌓으려면 하나하나가 더 얇아야 한다(‘TSV(실리콘 관통 전극)란?’ 참고).
• 이렇게 하지 않으면: 너무 두꺼우면 패키지에 들어가지 않는다. 너무 얇게 갈아도 안 된다. 실리콘은 유리처럼 단단하지만 잘 깨져서, 얇을수록 휘거나 깨지기 쉽다. 그래서 아주 얇게 갈아야 할 때는 받쳐 줄 다른 웨이퍼나 유리에 먼저 붙인 뒤 가는 경우가 많다.

왜 처음부터 웨이퍼를 얇게 만들지 않을까? 팹에서 수백 단계를 거치며 고온을 드나드는데, 너무 얇으면 휘거나 깨지기 때문이다. 그래서 마지막에 간다.

4단계: 연삭이 남긴 손상층을 없앤다

• 무엇을: 연삭 휠로 간 뒷면은 표면 바로 아래에 눈에 보이지 않는 미세한 균열층이 있고, 응력(재료 안에서 서로 잡아당기는 힘)도 남아 있다. 연마나 식각 같은 방법으로 이 층을 얇게 걷어 낸다.
• 왜: 미세한 균열은 칩이 가장 쉽게 깨지는 곳이고, 응력은 얇게 간 웨이퍼를 휘게 한다.
• 이렇게 하지 않으면: 칩이 약해져, 나중에 힘을 받으면 깨질 수 있다.

5단계: 프레임에 걸린 다이싱 테이프에 붙인다

• 무엇을: 웨이퍼 뒷면에 점착성 필름을 붙이는데, 필름 바깥쪽은 금속 프레임에 팽팽하게 걸려 있다. 그런 다음 앞면의 보호 테이프를 떼어 낸다.
• 왜: 자른 뒤에도 칩이 제자리에 가지런히 붙어 있어야 웨이퍼 맵과 맞출 수 있다. 프레임이 있어야 장비가 다루기 쉽다.
• 이렇게 하지 않으면: 자르자마자 칩이 흩어져, 어느 칩이 양품이었는지 다시는 맞출 수 없다.

6단계: 스크라이브 라인을 따라 자른다

칩은 바둑판처럼 늘어서 있고, 사이사이에 회로가 없는 가는 틈이 줄지어 있다. 이를 스크라이브 라인이라 하며, 폭은 대략 수십에서 100마이크로미터로 머리카락 굵기쯤이다. 측정용 작은 구조물(TEG)과 정렬 마크도 여기에 두는데, 자를 때 함께 잘려 나간다. 장비는 먼저 카메라로 스크라이브 라인을 찾아 웨이퍼를 반듯하게 맞춘다. 비뚤게 잘라 회로를 침범하면 그 칩은 못 쓰게 된다. 흔한 절단 방식은 세 가지다.

• 블레이드로 자르기: 블레이드는 가장자리에 다이아몬드 입자를 박은 아주 얇은 원판으로, 두께가 수십 마이크로미터에 불과하고 분당 1만 번 넘게 회전한다. 웨이퍼가 블레이드 아래를 한 번 지나갈 때마다 한 줄을 자르는데, 웨이퍼는 끝까지 자르고 테이프에는 아주 조금만 들어간다. 한 방향을 다 자르면 90도 돌려 다시 자른다. 자르는 동안 순수를 계속 뿌려 블레이드를 식히고 실리콘 가루를 씻어 낸다. 가장 성숙하고 가장 널리 쓰이며 비용이 낮다는 것이 장점이다. 한계는 블레이드가 실제로 실리콘에 닿기 때문에 가장자리가 조금씩 깨져 나가고, 블레이드도 쓸수록 무뎌지며, 웨이퍼가 얇을수록 자르다 깨지기 쉽다는 점이다.
• 레이저로 태워 끊기: 레이저가 스크라이브 라인을 따라 재료를 녹이고 기체가 될 때까지 가열한다. 블레이드가 웨이퍼에 닿지 않아 모서리가 덜 깨지므로 얇은 웨이퍼에 맞는다. 레이저로 표면의 몇 개 층을 먼저 태워 낸 뒤 블레이드로 자르는 경우도 많다. 한계는 절단면 옆에 열로 변질된 띠와 튀어 나온 잔해가 남아, 칩이 힘에 약해질 수 있다는 점이다.
• 내부에 한 층을 새긴 뒤 늘려 가르기: 실리콘은 특정 적외선을 거의 투명하게 통과시킨다. 이런 레이저의 초점을 웨이퍼 내부에 맞춰 스크라이브 라인을 따라 미세한 변질점을 한 줄 만들면, 표면에는 거의 티가 나지 않는다. 그런 다음 테이프를 바깥쪽으로 늘리면 웨이퍼가 이 줄을 따라 갈라진다. 과자에 먼저 금을 눌러 두고 쪼개는 것과 같다. 물이 필요 없고 잘려 나가는 부분이 거의 없어 부스러기도 거의 없다는 것이 장점이다. 한계는 초점을 아주 정확히 맞춰야 한다는 점이다.

반대로 하는 방식도 있다. 먼저 앞면에서 절반 깊이까지 자른 다음 뒷면을 갈아, 연삭이 절단 홈에 닿으면 칩이 저절로 분리된다. 이렇게 하면 이미 아주 얇고 잘 깨지는 웨이퍼를 자르지 않아도 된다.

7단계: 깨끗이 씻고 치핑을 검사한다

• 무엇을: 자른 웨이퍼를 고속으로 회전시키면서 물을 뿌려 남은 실리콘 가루를 씻어 내고 말린다. 이어서 치핑, 균열, 비뚤어진 절단이 없는지 검사한다.
• 왜: 실리콘 가루가 칩에 붙어 있으면 접점을 오염시킨다. 가장자리가 깨져 회로까지 파고든 칩은 쓸 수 없다.
• 이렇게 하지 않으면: 불량 칩이 섞인 채 다음 공정으로 넘어가 패키징한 뒤에야 발견되고, 패키징 비용까지 날린다.

8단계: 테이프를 늘리고 양품 칩만 집어 올린다

• 무엇을: 테이프를 바깥쪽으로 늘려 칩 사이의 틈을 조금 벌린다. 자외선을 쬐면 점착력이 약해지는 테이프도 있다. 다이 본더가 웨이퍼 맵을 읽어 들이면, 아래쪽의 가는 핀이 양품 칩 하나를 밀어 올리고 위쪽의 흡착 노즐이 집어 기판 위에 놓는다. 불량 칩은 테이프에 그대로 남는다.
• 왜: 틈이 너무 좁으면 칩 하나를 집어 올릴 때 옆 칩을 스친다. 너무 단단히 붙어 있으면 얇은 칩은 떼어 내다 깨질 수 있다.
• 이렇게 하지 않으면: 양품 칩을 망가뜨리거나, 불량 칩까지 패키징하게 된다. 이후 칩을 바깥과 어떻게 연결하는지는 ‘와이어 본딩이란?’과 ‘플립칩이란?’을 참고하면 된다.

치핑과 절단에 쓴 물은 어떻게 처리하나?

• 치핑: 자를 때 칩 가장자리가 조금 떨어져 나가는 것으로, 영어로 chipping이라 한다. 블레이드가 무뎌졌거나 너무 빨리 자르면 생기기 쉽다. 대책은 사용량에 따라 블레이드를 교체하고, 조금 천천히 자르고, 알맞은 블레이드를 고르는 것이다. 어느 정도 크기까지 허용할지는 미리 기준을 정해 두며, 회로에 닿은 칩은 절대 쓰지 않는다.
• 물: 뿌리는 물은 불순물을 제거한 순수다. 사용한 물에는 실리콘 가루가 섞여 있어 처리한 뒤에야 내보낼 수 있다(‘팹에서 쓴 물은 어디로 갈까?’ 참고).

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘후공정 공장’을 누르고 좌우로 넘겨 패키징 공정 엔지니어로 가면, 기기의 시각에 따라 근무 하나가 배정된다. 오전 근무는 다이싱 장비 앞이다. 기술자 샤오궈가 확대 사진을 보여 주며, 어느 칩의 깨진 모서리가 회로까지 파고들었는지 짚어 달라고 한다. 이어서 지금 새 블레이드로 바꿀지(장비가 20분쯤 멈춘다), 속도를 낮춰 일단 버틸지 정한다. 다이 본더에서는 가장자리만 조금 깨진 칩을 남길지 정한다.

메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 11 ‘볼이 들렸다’도 다이싱 장비 옆에서 시작한다. 라인장 수후이는 Glowmere 웨이퍼를 다 잘랐고, 웨이퍼 테스트에서 양품으로 판정된 칩만 다음으로 넘어간다고 말한다. 패키징 라인에서 다이 본더를 누르면 설명 카드에 웨이퍼 테스트에서 불량으로 판정된 칩은 집어 올리지 않는다고 적혀 있다. 블레이드가 한 줄씩 자르는 모습을 보고 싶다면 웨이퍼 다이싱 장비를 열고 ‘작동 보기’를 누르면 된다.

게임에는 웨이퍼 뒷면을 가는 연삭 장비도, 레이저 다이싱 장비도 없다. 후공정 공장, Glowmere, 인물, 장비 정지 시간은 모두 가상이다. 백그라인딩과 다이싱을 어떻게 하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.