차세대 Mega Phase 3D 카메라: 웨이퍼 범핑 검사

집적회로(IC)의 기반을 이루는 웨이퍼는 거의 모든 스마트 디바이스와 컴퓨팅 시스템의 핵심 물리적 매체입니다. 칩과 외부 환경 간의 전기적·물리적 연결을 형성하기 위해 범핑 공정은 매우 중요한 역할을 합니다. 이 공정은 웨이퍼 표면 위에 수만 개에 달하는 미세 회로 접점을 형성하는 것을 포함합니다. 범핑 공정은 일반적으로 코팅 및 포토리소그래피를 통해 정밀한 패턴을 정의하는 것으로 시작되며, 이후 전해 도금이나 볼 배치를 통해 µm 단위의 금속 범프를 형성합니다. 이후 리플로우 공정을 거쳐 표준적인 구형 또는 준구형 형태로 만들어집니다. 첨단 패키징에서는 구리 필러 범프의 직경이 일반적으로 40~80µm 수준이며, 고급 응용에서는 10µm까지 축소되기도 합니다.

향상된 인터커넥트 밀도와 신호 전송 효율 덕분에, 범핑 기술은 CPU, GPU, AI 프로세서와 같은 고성능 컴퓨팅(HPC) 칩에서 필수적인 요소가 되었습니다. 기존 방식과 비교했을 때, 고밀도 범프의 Area-array 구조는 더 높은 I/O 집적도와 더 짧은 인터커넥션을 구현합니다.

따라서 최적의 인터커넥션을 위해서는 점점 더 엄격한 품질 관리가 요구됩니다. 각 범프의 높이, 직경, 피치(위치 정밀도), 그리고 코플래너리티는 모두 검증되어야 합니다. 그러나 µm 수준의 크기, 초미세 피치, 그리고 높은 반사율을 가진 금속 표면 특성 때문에 기존 조명 방식에서는 강한 정반사, 헤일로 현상, 그림자 등의 문제가 발생합니다. 균일하고 선명한 이미지를 확보하지 못할 경우 윤곽, 코플래너리티, 미싱 범프, 브리징과 같은 핵심 결함을 정확하게 캡처하기 어려워지며, 이는 측정 난이도 증가와 오검출 위험을 크게 높입니다.

12인치 웨이퍼를 예로 들면, 수천 개의 범프를 검사해야 하며, 각 범프는 높이 70μm, 직경 75μm, 피치 150μm의 특성을 가집니다. 최적의 전기적 접속을 보장하기 위해 AOI 비전 솔루션은 다음과 같은 엄격한 공정 공차를 충족해야 합니다:

높이 공차 (기준 평면 대비): ≤±3μm

직경 공차: ≤±2μm

피치 공차 (위치 정밀도): ≤3μm

전체 코플래너리티 공차: ≤3μm

Mega Phase는 14.6×11.7mm FOV를 갖춘 21MP 에어리어 스캔 방식의 3D 구조광 카메라를 제공하며, 개별 범프당 200개 이상의 유효 픽셀을 확보합니다. 해당 카메라는 다음과 같은 성능을 구현합니다.

Figure 2: 카메라 셋업 다이어그램

Figure 2는 자동화 솔루션이 적용된 카메라 구성을 보여줍니다. 웨이퍼는 고정밀 모션 스테이지 위에 수평으로 배치되며, 범프가 위쪽을 향하도록 놓입니다. 고속 카메라는 일정한 작업 거리를 유지하도록 맞춤형 마운트에 고정됩니다. 단일 FOV에 대한 데이터 취득 및 카메라 내 전처리가 완료되면, 웨이퍼는 다음 측정 위치로 인덱싱됩니다.

미세한 구형 범프 상단 표면에서 발생하는 측정 난제를 해결하기 위해, 당사의 고성능 센서는 다음과 같은 우수한 전기광학 사양을 갖추고 있습니다:

랜덤 노이즈(Random noise):<3.5e⁻(rms)

포화 용량(Full-well capacity, FWC): ≥32ke⁻

다이내믹 레인지(Dynamic range): >68dB

높은 SNR는 구형 및 엣지 프로파일을 포함한 미세 마이크로 범프 특징을 안정적으로 캡처할 수 있도록 하며, 넓은 다이내믹 레인지는 웨이퍼 및 범프의 반사 특성으로 인해 발생하는 일부 영역의 과노출 및 저노출을 효과적으로 방지합니다. 그 결과, 시스템은 전반적으로 높은 이미지 품질을 제공합니다. 또한 시차(parallax), 배율 변화, 렌즈 왜곡으로 인한 측정 오차를 줄이기 위해 고정밀 바이오 텔레센트릭 렌즈를 적용하였습니다.

특히, 해당 카메라는 서로 다른 방향에서 프린지 패턴을 투사하는 4개의 프로젝터가 통합되어 있으며, 이를 교차 방식으로 구동합니다. 이를 통해 Figure 3과 같이 고품질의 포인트 클라우드 데이터를 확보할 수 있습니다.

Figure 3: 범프 유무 및 높이 이상 판별을 위한 이미지

대규모 반도체 제조 환경에서는 높은 처리량을 유지하면서도 정밀한 검사가 동시에 요구됩니다. 기존 방식은 대용량 원본 이미지 전송과 복잡한 호스트 PC 연산에 의존하기 때문에 사이클 타임(CT)이 증가하고, 시간당 5~10장의 처리 요구를 충족하기 어려운 한계가 있습니다.

이를 해결하기 위해, Mega Phase는 FPGA 기반의 하드웨어 연산(HWCI) 구조와 고속 이미지 센서를 적용시켰습니다. 노출은 200ms 이내에 완료되며, 고성능 FPGA를 통해 카메라 내부에서 3D 재구성이 이루어집니다. 그 결과, 계산된 포인트 클라우드 데이터만 출력되며, 단일 FOV에 대한 3D 재구성은 500ms 이내에 완료됩니다.

또한 연산, 데이터 전송, 장비 구동이 완전히 병렬로 이루어져, 12인치 웨이퍼 한 장의 범프 검사를 약 250초 내에 완료할 수 있습니다. 이를 통해 측정 정확도와 데이터 품질을 유지하면서도 시간당 5~10장 수준의 처리량을 안정적으로 달성합니다.

Figure 4: 단일 촬영으로 동시에 생성된 2D, 3D, 2D+3D 이미지

앞서 언급했듯이, 웨이퍼에는 수백만 개의 마이크로 범프가 존재하며, 각각의 범프는 최종 패키징 수율에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 모든 범프에 대한 이중 검사가 필요합니다. 즉, 위치와 직경을 위한 정밀한 2D 검사와, 높이 및 공면성 측정을 위한 고해상도 3D 검사가 동시에 요구됩니다. 기존 방식은 여러 단계 또는 별도의 장비를 필요로 하여, 공간이 제한된 클린룸 환경에서의 비효율을 초래합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, Mega Phase 카메라는 고해상도 2D 그레이스케일 이미지와 3D 포인트 클라우드 데이터를 동시에 출력하며, 두 데이터는 픽셀 단위로 정렬됩니다. Figure 4와 같이, 2D 정보(직경, 피치, 위치 오차, 표면 결함 등)와 3D 정보(높이, 코플래너리티 등)를 함께 비교함으로써, 한 번의 공정으로 빠르게 품질을 검증할 수 있습니다.

본 시스템은 2D와 3D 측정을 동시에 수행하며, 2D 검사는 3D 처리 시간 내에 완료됩니다. 따라서 전체 처리 속도는 3D 측정 성능에 의해 결정되며, 시간당 10~14장의 12인치 웨이퍼 처리가 가능합니다.

또한 카메라에는 다양한 특허 기반 하드웨어 기능이 적용되어, 기존에 호스트 PC에서 수행하던 작업의 상당 부분을 장비 내부에서 처리할 수 있습니다. 이를 통해 비전 시스템이 전체 사이클 타임에 미치는 영향을 최소화하고, 상위 시스템에서는 프로젝트별 요구에 맞춘 유연한 기능 구현이 가능합니다.