일반적으로 반도체 제조공정은 크게 패브리케이션(fabrication) 공정과 어셈블리(assembly) 공정으로 구분된다. 패브리케이션 공정은 웨이퍼 상에 집적회로 패턴을 형성하는 공정이며, 어셈블리 공정은 웨이퍼를 복수의 칩으로 분리시키고, 외부 장치와 전기적 신호의 연결이 가능하도록 각각의 칩에 도전성의 리드(lead)나 볼을 접속시킨 다음, 칩을 에폭시 등으로 몰딩시킴으로써 집적회로 패키지를 형성하는 공정이다.
어셈블리 공정을 진행하기 전에 각각의 칩의 전기적 특성을 검사하는 EDS(Electrical Die Sorting) 공정이 진행된다. EDS 공정은 웨이퍼를 구성하는 칩 들 중에서 불량 칩을 판별하여 재생(repair) 가능한 칩은 재생시키고 재생 불가능한 칩은 제거시킴으로써 후속의 어셈블리 공정 등에서 소요되는 시간 및 원가를 절감하는 역할을 한다.
이와 같은 EDS 공정은 프로버(Prober)에서 진행되는데, 프로버는 통상, 테스트 대상물인 웨이퍼가 안착되는 웨이퍼 척과, 프로브 카드가 장착되는 프로브 카드 홀더를 포함하여 구성된다. 프로브 카드 상에는 웨이퍼의 각 칩에 구비된 패드(pad)에 실질적으로 접촉되는 다수의 프로브가 구비되며, 상기 프로브와 패드의 접촉에 의해 발생되는 전기적 신호는 테스터(tester)에 전달되며 이를 바탕으로 칩의 불량 여부가 판별된다.
한편, 반도체 기술이 발전함에 따라 원가 절감 및 생산성 향상을 위해 보다 많은 수의 칩이 단일 웨이퍼에 형성되고 있으며, 최근에는 300mm 웨이퍼 공정의 구현으로 웨이퍼 당 반도체 칩의 수량이 수백개에서 수천개에 이르고 있다. 또한, 웨이퍼 테스트의 비용 절감을 위해 프로브 카드의 1회 테스트(터치 다운)시 웨이퍼의 패드와 접촉하는 면적인 프로빙 면적(probing area)도 증가하고 있으며, 대면적 테스트의 경우 프로브 카드에 구비되는 프로브의 수가 수천개에서 수만개에 이르고 있다.
프로브 카드를 통한 웨이퍼 테스트시 프로브 카드의 모든 프로브가 웨이퍼 상의 각각의 칩의 패드에 접촉해야 함에 따라, 프로브 카드 상에 구비되는 프로브들은 일정한 높이 즉, 균일한 평탄도를 가져야 하며 이와 같은 프로브 카드의 평탄도는 웨이퍼 테스트 공정에서 중요한 요인으로 작용한다. 그러나, 프로브를 포함한 프로브 카드를 제작함에 있어서 공정 조건 등 다양한 변수로 인해 다소간의 높이 편차가 발생될 수 있다.
이와 같이, 프로브 카드의 평탄도에 다소간 높이 편차가 존재함으로 인해, 실제 웨이퍼 테스트시에는 오버드라이브(overdrive) 조건을 적용한다. 즉, 웨이퍼 테스트의 신뢰도를 확보하기 위해 프로브 카드의 실제 평탄도에 마진(margin)을 적용하여 웨이퍼를 기준치보다 더 이동시켜(Z축) 프로브 카드와 접촉시키는 방법을 택하고 있다. 이 때, 오버드라이브가 충분하지 않으면 프로브 카드와 웨이퍼 사이의 전기적 접촉이 불안정하여 검사 결과에 불량이 발생할 수 있으며, 반대로 오버드라이브가 너무 크면 프로브 또는 패드에 손상이 발생하거나 프로빙의 결과로 패드에 형성되는 프로브 마크의 크기가 커져 후속의 어셈블리 공정에 악영향을 미칠 수 있으며, 칩의 품질에도 영향을 줄 수 있다.
한편, 제작된 프로브 카드의 평탄도가 일정 기준을 충족하는 경우라 하더라도 프로브 카드가 장착되는 과정에서 평탄도가 증가될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 프로브 카드는 프로브 카드 홀더에 장착되는데, 프로브 카드의 평탄도가 일정하더라도 프로브 카드 홀더 상에 해당 프로브 카드가 장착될 때 기울어지게 장착되면 프로브 카드와 웨이퍼가 평행을 유지할 수 없게 된다. 이와 같이 프로브 카드와 웨이퍼가 비평행하게 배치되면 불완전한 웨이퍼 테스트 과정이 진행될 수밖에 없다. 프로브 카드 평탄면과 웨이퍼 평면 간에 비평행이 발생하는 첫째, 기준면이 틀어지는 등의 프로브 카드 조립 중의 불량, 둘째, 프로브 카드 홀더와 프로브 카드 접촉면 사이의 이물질 유입 혹은 고정 불량, 셋째, 프로브 카드 홀더가 프로버의 상판에 결합될 때의 불량, 프로버 척의 기울어짐 등을 들 수 있다.
프로브 카드의 평탄화에 관한 종래 기술을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 한국공개특허공보 10-2006-126773호에는 평탄 정도의 조절을 위한 부재로써 조절 나사와 스프링 등을 구비하는 프로브 카드를 제시하고 있다. 이 구조의 프로브 카드에서는 평탄 조정용 나사가 아래로 가압할 때 제 1 기판이 휘어지는 상황이 빈번하게 발생한다. 즉, 제 1 기판을 아래와 위에서 동시에 가압하기 때문에 제 1 기판이 휘어지게 되는 것이다. 또한, 이 구조의 프로브 카드는 조절 나사와 스프링 등을 평탄 정도의 조절을 위한 부재로 포함하고 있기 때문에 그 구조가 다소 복잡한 단점을 갖는다. 여기서, 상기 제 1 기판은 복수의 프로브를 포함하는 프로브 헤드에 해당된다.
다른 기술로, 한국공개특허공보 10-2006-34718호에서는 복수의 프로브가 이루는 제 1 평면을 한정하는 특징부를 갖는 스티프닝 부재를 이용하여 프로브 엘리먼트들을 실질적으로 웨이퍼 프로버에 대하여 평탄화시키는 발명을 개시하고 있다. 그러나, 복수의 프로브의 평탄도가 프로브 카드 자체의 평탄 조정이 아닌 테스트 시스템의 일부분인 프로버와 프로브 카드의 구조 변경을 통해 달성됨에 따라, 그 적용이 매우 제한적인 단점이 있다.
또 다른 기술로, 한국공개특허공보 10-2008-85709호는 테스트 시스템의 일부분인 프로버의 척에 가해진 외부 압력을 측정하고, 측정된 외부 압력에 따라 척의 위치를 보정함으로써 척의 위치를 정확하게 조정할 수 있는 발명을 개시하고 있다. 그러나, 이 특허의 적용을 위해서는 시스템 일부의 변경이 필요하여 추가적인 비용 이 발생한다는 단점이 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 평탄화 모듈을 구비한 프로브 카드를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 프로버(prober)의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 평탄화 모듈을 구비한 프로브 카드의 구성도이며, 도 3은 도 2의 분리 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평탄화 모듈을 구비한 프로브 카드를 설명하기에 앞서, 프로브 카드가 적용되는 프로버의 구성을 먼저 살펴보기로 한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 프로버는 크게 웨이퍼(140)가 장착되는 웨이퍼 척(110)과, 상기 웨이퍼 척(110)으로부터 상부로 소정 거리 이격된 위치에 구비되어 프로브 카드(130)가 장착되는 공간을 제공하는 프로브 카드 홀더(120)로 구성된다.
상기 프로브 카드(130)는 세부적으로, 보강판(131), 인쇄회로기판(132) 및 프로브 헤드(133)가 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 상기 프로브 헤드(133) 상에는 복수의 프로브 모듈(134)이 구비된다. 여기서, 상기 프로브 모듈(134)은 칩의 패드(141)와 실질적으로 접촉하는 프로브(probe)(134a)를 포함하는 것을 일컬으며, 프로브를 구비한다는 전제 하에, 상기 프로브 모듈은 다양하게 변형, 실시될 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 프로버에 있어서, 상기 웨이퍼 척(110) 상의 웨이퍼(140)는 상부로 이동하여 프로브 카드(130)와 접촉하게 되는데, 정확히는 웨이퍼(140) 상의 패드(141)가 상기 프로브 카드(130)의 프로브(134a)와 접촉하게 된다. 이와 같은 패드(141)와 프로브(134a)간의 접촉에 있어서, 패드(141)와 프로브(134a) 사이의 안정적인 접촉을 위해서는 프로브들의 평탄도가 우수해야 하며 이와 함께 프로브들이 이루는 평면(이하, '제 1 평면(A)'이라 칭함)과 패드들이 이루는 평면(이하, '제 2 평면(B)'이라 칭함)이 평행을 이루어야 한다.
본 발명은 프로브들의 제 1 평면(A)과 패드들의 제 2 평면(B)간의 평행을 안정적으로 유지할 수 있는 프로브 카드의 구성을 제시함에 특징이 있으며, 이하에서는 본격적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 프로브 카드의 구성을 살펴보기로 한 다.
본 발명의 일 실시예에 따른 평탄화 모듈을 구비한 프로브 카드(200)는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 보강판(210), 인쇄회로기판(220) 및 프로브 헤드(230)(도 5 참조)가 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 상기 프로브 헤드(230) 상에는 프로브(probe)(241)를 구비하는 프로브 모듈(240)이 다수 장착된다.
상기 인쇄회로기판(220)은 인쇄회로기판(220) 둘레의 일정 부분이 상기 프로브 카드 홀더(120) 상에 걸쳐지는 형태로 장착되며 또한, 상기 인쇄회로기판(220)의 둘레 부분에는 관통부(221)가 구비된다. 상기 관통부(221)는 후술하는 평탄화 모듈(250)이 장착되는 공간으로서, 상기 관통부(221)는 공간적으로 일측은 보강판(210)의 하면과 연결되고 다른 일측은 프로브 카드 홀더(120)의 상면과 연결된다. 달리 표현하여, 상기 관통부(221) 내의 평탄화 모듈(250)은 상기 보강판(210)과 프로브 카드 홀더(120) 사이의 위치한다. 이 때, 상기 관통부(221)는 상기 인쇄회로기판(220)의 둘레를 따라 일정 간격을 따라 복수개 구비될 수 있다.
상기 관통부(221) 내에 평탄화 모듈(250)이 구비되는데, 상기 평탄화 모듈(250)은 상기 프로브 카드의 프로브들이 이루는 제 1 평면(A)의 기울기를 조정하여 궁극적으로 상기 제 1 평면(A)과 제 2 평면(B) 사이의 평행도를 조절하는 역할을 한다.
구체적으로, 상기 평탄화 모듈(250)은 도 4에 도시한 바와 같이 높이 조절부재(251)를 포함하여 구성된다. 상기 높이 조절부재(251)는 상기 프로브 카드 홀더(120) 상에 접촉, 구비되는 것으로서, 이를 위해 상기 높이 조절부재(251)가 이 루는 평면(C)이 상기 인쇄회로기판(220)이 이루는 평면(D)보다 돌출되도록 상기 높이 조절부재(251)가 구비되는 것이 바람직하다. 참고로, 상기 높이 조절부재가 접촉되는 프로브 카드 홀더 상에 소정의 홈부가 구비되는 경우, 상기 평면(C)이 상기 평면(D)에 비해 돌출되지 않을수도 있다.
상기 높이 조절부재(251)는 상기 보강판(210)의 하면 상에 장착, 고정되며, 이에 따라 상기 보강판(210), 인쇄회로기판(220) 및 높이 조절부재(251)는 일체형을 이루게 되며, 상기 높이 조절부재(251)의 높이에 따라 상기 인쇄회로기판(220)이 이루는 평면의 기울기가 변할 수 있게 된다. 전술한 바와 같이, 인쇄회로기판(220)에는 복수의 관통부(221)가 구비됨에 따라, 상기 높이 조절부재(251) 역시 복수개 구비되며, 각각의 높이 조절부재(251)의 높이를 선택적으로 조절하여 상기 인쇄회로기판(220)의 기울기를 조절할 수 있게 된다. 여기서, 상기 높이 조절부재(251)를 보강판(210)에 고정함에 있어서, 나사 부재(254)를 이용할 수 있으며 이 경우, 상기 높이 조절부재(251) 및 보강판(210)의 일측에 나사공이 구비될 수 있다.
한편, 상기 높이 조절부재(251)를 이용하여 인쇄회로기판(220)의 기울기를 조절함에 있어서, 기울기의 점진적 조절을 위해 일정한 높이 편차를 갖는 다수의 높이 조절부재(251)를 구비하는 것이 바람직하다. 이 때, 적당한 범위 두께를 갖는 높이 조절부재(251)를 선택적으로 이용하여 높이 편차를 최소화하는 것이 기울기의 미세 조정에는 효과적이나 높이 조절부재(251)의 개수가 증가되는 단점이 있다. 이와 같은 경우에 대비하여, 일정 높이를 갖는 스페이서(252)를 상기 높이 조절부 재(251)와 보강판(210) 사이에 개재시킬 수 있다. 즉, 높이 조절부재(251)만으로는 기울기 보정에 어려움이 있는 경우, 일정 높이를 갖는 스페이서(252)를 상기 높이 조절부재(251)와 보강판(210) 사이에 개재시켜 인쇄회로기판(220)의 기울기를 제어하는 것이다. 이 때, 상기 스페이서(252)는 필요에 따라 복수개 적층시켜 사용할 수도 있으며, 나사부재를 감싸는 와셔(washer) 형태를 가질 수 있다.
상기 스페이서(252)의 역할과 유사한 개념으로 상기 높이 조절부재(251)와 프로브 카드 홀더(120) 사이에 심(shim)(253)을 구비시킬 수도 있다. 즉, 기울기 조정에 필요한 보상값이 작을 경우, 일정 두께를 갖는 심(253)을 상기 높이 조절부재(251)와 프로브 카드 홀더(120) 사이에 구비시킬 수도 있다.
평탄화 모듈(250)에 대해 이상 설명한 바를 정리하면, 상기 평탄화 모듈(250)은 기본적으로 높이 조절부재(251)를 구비하며, 이에 더해 스페이서(252) 또는 심(253)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 평탄화 모듈(250)이 상기 인쇄회로기판(220)에 구비된 복수의 관통부(221) 내에 구비되어 인쇄회로기판(220)의 기울기를 조정한 예를 도면으로 나타내면 도 5와 같다. 도 5는 평탄화 모듈(250)의 높이 및 그에 따른 인쇄회로기판(220)의 기울기를 다소 과장하여 나타낸 것이나 평탄화 모듈(250)에 의한 인쇄회로기판(220) 기울기 조정의 개념을 도시한 것이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 인쇄회로기판(220)의 복수의 관통부(221) 내에 서로 다른 높이를 갖는 평탄화 모듈(250)을 구비시킴으로써 인쇄회로기판(220)의 기울기 궁극적으로, 프로브들의 기울기(제 1 평면(A))를 선택적으로 조절할 수 있으며, 이를 통해 제 1 평면(A)과 제 2 평면(B)의 평행을 담보할 수 있음을 알 수 있다.