반도체의 공정의 난이도가 높아지면서 레이저 기술을 활용한 공정이 빠르게 확대되고 있다. 이번 포스팅에서는 반도체 주요 공정별 레이저 기술에 대하여 알아보고, 관련 기업들을 정리해 보았다.
반도체 주요 공정별 레이저 기술
1. 다이싱(Dicing) 공정
다이싱(Dicing)이란 웨이퍼에 만들어진 반도체를 개별 칩으로 잘라내는 공정을 말한다.
과거에는 웨이퍼 두께가 100um 이상일 때는 물리적인 메카니컬 다이싱 방법을 주로 사용했지만, 웨이퍼의 두께가 얇아지면서 메카니컬 다이싱 방식으로 인한 칩핑(칩 가장자리 깨짐), 크랙(칩 깨짐) 등과 같은 단점들이 발생하면서 레이저 다이싱 방식으로 기술의 변화가 일어나고 있다.
스크라이브/블레이드 다이싱 공정 → DBG(Dicing Before Grinding, Half Dicing → Grinding → Dicing) → 레이저 다이싱 공정 → 플라즈마 다이싱 공정으로 고도화되고 있다.
다이싱 공정은 일본의 Disco 사가 독점하고 있으며, 빠르면 HBM 12단 부터 양산에 들어갈 예정이다.
레이저 펄스 듀레이션: 레이저의 분류는 물질, 파장, 위험도 등 여러가지가 있지만 반도체 공정에서는 펄스 듀레이션에 따른 분류가 중요하다. 펄스 듀레이션은 시간의 폭을 의미하며, 펄스 듀레이션이 짧을수록 레이저 에너지가 높아지고 폭이 좁아져 공정 처리 정확도가 높아진다는 특징이 있다.
레이저 다이싱
- 레이저 그루빙 + 블레이드: 레이저 기술을 통해 홈을 만들어준 이후 블레이드를 통해 다이싱
- 레이저 스텔스 다이싱: 레이저 기술로 내부 균열을 만든 이후 Expand하여 다이싱(Disco 사 기준 약 5.4%의 수율 향상 효과)
- 레이저 풀커팅: 레이저 기술만 활용하여 다이싱, 레이저를 1회 또는 여러 차례 조사
현재 웨이퍼 두께는 60~80um 수준으로 HBM 단수 증가와 공정미세화에 따라 25~30um 까지 얇아지면 레이저 풀커팅 수요가 증가할 것으로 전망된다. 레이저 풀커팅이 현재 기술적으로 불가능한 영역은 아니지만 현재 박막 수준에서는 생산성이 오히려 낮아질 수 있어 레이저 풀커팅 보다는 그루빙, 스텔스 다이싱이 주로 사용되고 있다.
플라즈마 다이싱: 플라즈마를 활용한 화학적 에칭 기술방식이다. 메카니컬 방식 대비 절단면이 크게 좁아지며 칩 생산성에서 약 20~30% 향상되는 장점이 있다.
2. 어닐링(Annealing) 공정
어닐링 공정은 퍼니스(Furnace), 급속 열처리(RTA, Rapid Thermal Annealing), 레이저 방식으로 구분된다.
공정의 미세화로 인해 웨이퍼 전체에 균일한 온도를 전달하는데 어려워짐에 따라 웨이퍼 원하는 부분에만 열을 가하여 전체적인 열 손상 없이 어닐링이 가능한 레이저 기술을 채택하고 있다.
삼성전자 메모리는 2016년, sk하이닉스는 2021년 레이저 어닐링 장비를 공급받고 있다.
3. 드릴(Drilling) 공정
드릴공정은 PCB기판에 Via(구멍)을 뚫어 기판 내에 있는 여러 개의 레이어간 신호 전달 연결을 가능하게 하는 공정이다. 반도체 I/O 단자가 많아지고, 미세화로 인해 더 작고 많은 Via를 만들어 줘야한다.
PCB Drill 시장에서 주된 Drill 방식인 CO2 Laser는 Via의 크기를 20um까지 밖에 줄이지 못하는 한계가 있어, 2um까지 축소할 수 있는 UV Laser방식 수요가 증가할 것으로 보고 있다.
4. 본딩(Bonding) 공정
본딩은 반도체 칩과 칩 또는 칩과 기판에 접착하여 전기적 연결을 가능케 해주는 공정이다. 역시 반도체 미세화 따른 본딩공정의 기술도 변화를 요구하고 있다. 낮은 성능의 반도체는 와이어를 활용한 스티치본딩(Stitch Bonding)을 여전히 사용하고 있다.
고성능 반도체는 MR(Mass Reflow), TC본딩(Thermal Compression Bonding)을 주로 적용하고 있다.
LAB(Laser Bonding) 방식은 칩과 칩 칩과 기판/인터포저 접합부에만 레이저 빔을 가하여 본딩하는 기술로 생산성, 공정 소요시간, 좁은 영역의 히팅 방식의 장점이 있다.
5. 디본딩(Debonding) 공정
디본딩 공정은 반도체 제조 공정중 사용되는 캐리어 웨이퍼를 떼어내는 공정이다.
6. 마킹(Marking) 공정
- 반도체 완제품에 제조사, 제품명 등 다양한 정보를 기록하는 공정
- 과거에는 잉크 마킹 기술로 진행되었으나, 소모품 비용, 공정 소요시간, 취급 난이도, 환경 문제 등의 이유로 2000년대 부터 레이저 마킹 장지로 대체되었다.
- 마킹 장비 시장은 1,000 ~ 1,500억원의 시장으로 규모는 크지 않다.
- 높은 기술력을 요구하지 않기 때문에 시장 규모가 급성장할 가능성은 낮다. 하지만 단일칩에서 칩렛에 따른 칩 생산량 증가로 마킹 장비 시장에는 긍정적일 전망이다.
7. PhotoLithography 공정
웨이퍼 위에 빛을 조사하여 전류가 흐르는 통로인 패턴을 형성하는 공정으로 포토공정이라 한다.
- 사용되는 빛의 광원은 DUV, EUV 등이 있다.
- DUV 노광장비는 ASML, Nikkon, Canon 등 여러 업체가 만들고 있다.
- EUV 노광장비는 ASML만이 만들고 있다.
반도체 레이저 기술 관련기업
국내 반도체 장비 업체
- 한미반도체: 레이저 Marker, 레이저 Cutter, 레이저 Ablation
- 이오테크닉스: 레이저 Marker, 레이저 Cutter, 레이저 Driller, 레이저 Trimmer
- 다이싱 공정은 디스코(일)가 독점했었지만, 23~24년 동사가 그루빙과 스텔스 다이싱 장비 공급을 시작
- AP시스템: 검사파트 레이저 Cutter
- 디스플레이 부문에서 레이저 장비 권위자
- 중장기적으로 본딩, Ablation 등 레이저 반도체 장비의 포트폴리오 확대 가능성도 열려있음
