KR102406801B1 - 초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법 및 이를 이용하는 검사장치 - Google Patents

초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법 및 이를 이용하는 검사장치 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 로딩 암에 의해, 피검체 반도체 소자가 초음파 검사 스테이지에 로딩되는 피검체 로딩 단계; 스테이지 컨베이어에 의해, 상기 피검체 반도체 소자가 로딩되어 있는 상기 초음파 검사 스테이지가 일정한 스캔 간격만큼씩 이동되는 스테이지 이동 단계; 초음파 프로브 어레이에 의해, 상기 초음파 검사 스테이지의 일정한 스캔 간격마다 불량 검사용 초음파 신호가 상기 피검체 반도체 소자의 일면에 조사되는 초음파 스캐닝 단계; 및 프로세서에 의해, 상기 불량 검사용 초음파 신호가 상기 피검체 반도체 소자로부터 반사되어 생성되는 초음파 에코 신호에 기초하여 상기 피검체 반도체 소자의 경계면 패턴 이미지가 생성되는 이미지 생성 단계; 를 포함하는, 초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법 및 이를 이용하는 검사장치에 관한 것이다.

Description

초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법 및 이를 이용하는 검사장치{A defective element inspection method using an ultrasonic probe and an inspection apparatus using the same}
본 발명은 초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법 및 이를 이용하는 검사장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 초음파 프로브 어레이를 활용하여 패키징이 완료된 피검체 반도체 소자를 훼손하지 않으면서 내부에 결함이 존재하는지 여부를 검사하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
초음파(ultrasonic wave) 영역의 주파수를 갖는 신호를 활용하여 검사 대상의 내부 이미지를 취득하는 기술이 신체 내부의 장기나 임신 중의 태아를 대상으로 하는 의료 분야나 제조 결과물을 변형시키지 않으면서 내부의 결함을 검출하는 비파괴검사(NDT) 분야 등에서 다양하게 활용되고 있다.
복잡한 회로 패턴을 형성하고 있는 반도체 소자에 대해서도 초음파 검사 방식의 불량 검출이 수행될 수 있다. 종래에는 완성품 반도체 소자들 중 일부만을 선별하여 불량 비율을 산출하는 등의 용도로 초음파 검사가 수행될 수 있었다. 다만, 근래에 발전하고 있는 자율주행 기술과 관련하여, 소자 불량으로 인한 차량 사고 발생을 방지하기 위해 점차 자율주행 차량용 반도체에 대한 불량 검사의 기준이 강화되고 있다.
따라서, 자율주행 등 매우 높은 수준의 제조 품질이 요구되는 분야에서, 반도체 소자의 잠재적인 불량 요소들을 미리 검출해낼 수 있도록 높은 검사 정밀도를 가지면서, 선별 검사가 아닌 반도체 소자들에 대한 전수 검사를 실시할 수 있도록 검사 소요 시간을 줄일 수 있는 개선된 초음파 검사 장치의 개발이 요구될 수 있다.
본 발명에 의해 해결하고자 하는 기술적 과제는, 높은 검사 정밀도 및 빠른 검사 속도를 동시에 구비하는 초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법 및 이를 이용하는 검사장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일부 실시예에 따른 초음파 기반의 불량 소자 검사 장치의 동작 방법은, 로딩 암에 의해, 피검체 반도체 소자가 초음파 검사 스테이지에 로딩되는 피검체 로딩 단계; 스테이지 컨베이어에 의해, 상기 피검체 반도체 소자가 로딩되어 있는 상기 초음파 검사 스테이지가 일정한 스캔 간격만큼씩 이동되는 스테이지 이동 단계; 초음파 프로브 어레이에 의해, 상기 초음파 검사 스테이지의 일정한 스캔 간격마다 불량 검사용 초음파 신호가 상기 피검체 반도체 소자의 일면에 조사되는 초음파 스캐닝 단계; 및 프로세서에 의해, 상기 불량 검사용 초음파 신호가 상기 피검체 반도체 소자로부터 반사되어 생성되는 초음파 에코 신호에 기초하여 상기 피검체 반도체 소자의 경계면 패턴 이미지가 생성되는 이미지 생성 단계; 를 포함한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 피검체 반도체 소자의 세부 회로 패턴은 상기 피검체 반도체 소자의 일면의 반대편인 타면으로부터 돌출되는 형상으로 형성되고, 상기 일면에 조사되는 상기 불량 검사용 초음파 신호는 상기 일면 및 상기 피검체 반도체 소자의 반도체 기판을 거쳐 상기 세부 회로 패턴의 경계면에서 반사되어 상기 초음파 에코 신호를 생성한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 초음파 스캐닝 단계에서, 상기 초음파 프로브 어레이에 의해 상기 일면에 대한 초음파 스캐닝이 수행된 이후, 상기 타면에 상기 불량 검사용 초음파 신호를 조사하도록 추가로 구비되는 추가 초음파 프로브 어레이에 의해 상기 타면에 대한 추가 초음파 스캐닝이 수행된다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 초음파 스캐닝 단계에서, 상기 초음파 프로브 어레이에 의해 상기 일면에 대한 초음파 스캐닝이 수행된 이후, 상기 불량 소자 검사 장치의 반전기에 의해 상기 피검체 반도체 소자가 상하 반전되어 상기 초음파 프로브 어레이에 의해 상기 타면에 대한 추가 초음파 스캐닝이 수행된다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 불량 검사용 초음파 신호는 고주파수 영역에서 발생하는 상기 불량 검사용 초음파 신호의 감쇠를 방지하기 위해 상기 초음파 프로브 어레이 및 상기 피검체 반도체 소자 사이에 충전되는 초음파 전달용 매질을 통해 상기 상면 반도체 패턴에 조사되고, 상기 초음파 전달용 매질은 액체이다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 초음파 프로브 어레이는 일정한 피치(pitch)를 두고 일렬로 배열되는 복수의 프로브 요소들을 포함하고, 상기 복수의 프로브 요소들 각각의 크기 및 상기 복수의 프로브 요소들이 갖는 일정한 피치의 크기는 상기 피검체 반도체 소자의 1매당 스캐닝 소요 시간에 따라 결정된다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 피검체 반도체 소자는 자율주행 차량용 전력 모듈 소자를 포함한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 불량 검사용 초음파 신호가 조사될 때 상기 초음파 프로브 어레이 및 상기 상면 반도체 패턴은 6 mm 이상 10 mm 이하 간격의 흡착 상태에 있고, 상기 불량 검사용 초음파 신호의 주파수는 60 MHz 이상 90 MHz 이하이다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 초음파 스캐닝 단계에서, 상기 초음파 프로브 어레이에 의한 상기 피검체 반도체 소자의 상반부에 대한 초음파 스캐닝 및 상기 초음파 프로브 어레이와 나란하게 추가로 구비되는 추가 초음파 프로브 어레이에 의한 상기 피검체 반도체 소자의 하반부에 대한 초음파 스캐닝이 동시에 수행된다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 초음파 스캐닝 단계에서, 상기 초음파 프로브 어레이에 의해 상기 일면에 대한 초음파 스캐닝이 수행됨과 동시에 상기 타면에 상기 불량 검사용 초음파 신호를 조사하도록 추가로 구비되는 추가 초음파 프로브 어레이에 의해, 상기 일면에 대한 초음파 스캐닝 및 상기 타면에 대한 초음파 스캐닝이 동시에 수행된다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 불량 소자 검사 장치는, 상기 초음파 기반의 불량 소자 검사 장치의 동작 방법을 수행하도록 구성된다.
본 발명에 따른 초음파 기반의 불량 소자 검사 장치 및 그 동작 방법에 의하면, 종래에 초음파 검사를 위해 활용되던 단일 초음파 프로브 대신, 복수의 프로브 요소들로 구성되는 초음파 프로브 어레이가 활용될 수 있으므로, 종래의 선 기반 검사가 아닌 어레이 구조에 의한 면 기반 검사가 수행될 수 있어 초음파 불량 검사의 정확도 및 검사 속도가 향상될 수 있다. 특히, 세부 회로 패턴의 돌출 형상으로 인한 초음파 산란의 영향을 줄이기 위해 불량 검사용 초음파 신호를 조사하는 방향을 특정하는 경우, 세부 회로 패턴 근방에 존재하는 잠재 결함을 검출하는 것도 가능해질 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일부 실시예에 따른 초음파 기반의 불량 소자 검사 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 초음파 기반의 불량 소자 검사 장치를 구성하는 요소들을 나타내는 도면이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 초음파 기반의 불량 소자 검사 장치의 동작 방법을 구성하는 단계들을 나타내는 도면이다.
도 4는 일부 실시예에 따른 초음파 프로브 어레이의 구조 및 동작 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일부 실시예에 따른 초음파 프로브 어레이를 활용하여 피검체 반도체 소자의 경계면 패턴 이미지를 생성하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일부 실시예에 따른 피검체 반도체 소자의 구조 및 이를 초음파 프로브 어레이를 통해 스캐닝하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일부 실시예에 따른 피검체 반도체 소자의 실물 이미지 및 그에 대한 경계면 패턴 이미지를 나타내는 도면이다.
도 8은 일부 실시예에 따른 피검체 반도체 소자의 세부 회로 패턴 및 그로 인한 초음파 산란의 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일부 실시예에 따른 상하 동시 측정 방식에서 초음파 프로브 어레이의 피치별 경계면 패턴 이미지를 나타내는 도면이다.
도 10은 일부 실시예에 따른 상하 별도 상하 별도 측정 방식에서 초음파 산란의 영향 없이 생성되는 피치별 경계면 패턴 이미지를 나타내는 도면이다.
도 11은 일부 실시예에 따른 상하 별도 측정 방식에서 피검체 반도체 소자의 상반부 및 하반부에 대한 초음파 스캐닝이 동시에 수행되는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 일부 실시예에 따른 상하 동시 측정 방식 및 상하 별도 상하 별도 측정 방식을 비교하기 위한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명될 것이다. 이하에서의 설명은 실시예들을 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명에 따른 권리범위를 제한하거나 한정하기 위한 것은 아니다. 본 발명에 관한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 상세한 설명 및 실시예들로부터 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명에 따른 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에 관한 기술 분야에서 널리 사용되는 일반적인 용어로 기재되었으나, 본 발명에서 사용되는 용어의 의미는 해당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 새로운 기술의 출현, 심사기준 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 일부 용어는 출원인에 의해 임의로 선정될 수 있고, 이 경우 임의로 선정되는 용어의 의미가 상세하게 설명될 것이다. 본 발명에서 사용되는 용어는 단지 사전적 의미만이 아닌, 명세서의 전반적인 맥락을 반영하는 의미로 해석되어야 한다.
본 발명에서 사용되는 '구성된다' 또는 '포함한다'와 같은 용어는 명세서에 기재되는 구성 요소들 또는 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 일부 구성 요소들 또는 단계들은 포함되지 않는 경우, 및 추가적인 구성 요소들 또는 단계들이 더 포함되는 경우 또한 해당 용어로부터 의도되는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명될 것이다. 본 발명에 관한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 대해서는 자세한 설명이 생략된다.
도 1a 및 도 1b는 일부 실시예에 따른 초음파 기반의 불량 소자 검사 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 초음파 기반의 불량 소자 검사 장치(100)를 구성하는 요소들 및 그 구조가 도시되어 있다. 도시된 불량 소자 검사 장치(100)의 구조는 예시적인 구현일 뿐, 초음파 기반의 불량 소자 검사 기능을 유지하는 범위에서 다른 형태로 구현될 수도 있다.
로딩 암(110)은 불량 소자 검사 장치(100) 내에서 피검체 반도체 소자를 운반할 수 있다. 로딩 암(110)은 불량 소자 검사 장치(100)의 좌측 후방에 매거진 형태로 적재되어 있는 피검체 반도체 소자를 초음파 프로브 어레이(130)가 위치하는 초음파 검사 스테이지로 이동시킬 수 있다. 초음파 검사 스테이지로 이동하기 이전에, 로딩 암(110)은 피검체 반도체 소자를 DMC 각인 및 바코드 검사를 위한 위치로 운반할 수도 있다. 도시된 예시에서와 같이 로딩 암(110)은 로봇 암의 형태로 구현될 수 있고, 또는 소자 운반 기능을 갖는 다른 형태의 기계 구조로 구현될 수 있다.
피검체 반도체 소자가 초음파 검사 스테이지로 운반되면, 스테이지 컨베이어(120)는 피검체 반도체 소자를 좌우 방향으로 이동시킬 수 있다. 초음파 프로브 어레이(130)에 의한 전후 방향 스캐닝이 스캔 단위마다 수행될 수 있도록, 스테이지 컨베이어(120)는 피검체 반도체 소자를 스캔 단위만큼씩 우측으로 이동시킬 수 있다. 스테이지 컨베이어(120)는 컨베이어 벨트, 또는 스테이지 구동 모터 등과 같이 소자 운반을 위한 다양한 형태로 구현될 수 있다.
초음파 프로브 어레이(130)는 피검체 반도체 소자에 초음파 영역의 주파수를 갖는 검사 신호를 조사할 수 있고, 그에 따라 피검체 반도체 소자의 층별 경계면에서 반사되는 에코 신호를 측정할 수 있다. 초음파 프로브 어레이(130)는 단일의 프로브로 구성되는 것이 아닌, 복수의 프로브 요소들로 구성될 수 있으며, 그로 인해 선 기반의 스캐닝이 아닌 면 기반의 스캐닝을 수행할 수 있다.
초음파 스캐닝 과정에서 초음파 신호 및 에코 신호는 초음파 전달용 매질을 통해 전달될 수 있다. 예를 들면, 물과 같은 초음파 전달용 매질을 통해 초음파 신호 및 에코 신호가 전달되는 경우에는 공기를 통해 전달되는 경우 대비 고주파수 영역에서의 감쇠가 감소할 수 있으므로, 보다 원활한 결함 검사가 수행될 수 있다. 예시된 물 이외에도, 신호 감쇠를 방지할 수 있는 다른 적절한 종류의 물질이 초음파 전달용 매질로 활용될 수 있다.
초음파 스캐닝 과정에서, 필요에 따라 반전기(150)에 의해 피검체 반도체 소자의 상하가 뒤집히는 플리핑(flipping) 과정이 수행될 수 있다. 즉, 피검체 반도체 소자의 상면 반도체 패턴 및 하면 반도체 패턴을 모두 스캐닝할 필요가 있는 경우에는 플리핑을 위해 반전기(150)가 동작할 수 있다. 반전기(150)는 진공 흡착 구조 등 플리핑 과정을 수행 가능한 다양한 형태로 구현될 수 있다.
초음파 스캐닝 과정이 완료되면, 에어 나이프(air knife) 등과 같은 건조 수단에 의해 피검체 반도체 소자에 잔류하는 초음파 전달용 매질이 건조될 수 있다. 건조가 완료된 이후에는 피검체 반도체 소자가 다시 우측 로딩 암에 의해 매거진 형태로 적재될 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 불량 소자 검사 장치(100)는 프로세서(140)를 포함할 수 있다. 프로세서(140)는 피검체 반도체 소자로부터 반사되는 에코 신호를 활용하여 피검체 반도체 소자의 내부 이미지를 생성할 수 있다. 프로세서(140)는 연산 처리 기능을 갖는 CPU, GPU, AP, 또는 그 조합의 형태 등으로 구현될 수 있고, 필요에 따라 DRAM, 플래시 메모리, SSD, 기타 다양한 형태의 메모리와 함께 구비될 수 있다.
불량 소자 검사 장치(100)의 구성 요소들의 동작 과정들을 거쳐 피검체 반도체 소자의 내부 이미지, 즉 경계면 패턴 이미지가 생성되면, 이를 통해 피검체 반도체 소자가 어떤 종류의 제조 결함들을 갖는지가 판정될 수 있다. 예를 들면, 경계면 패턴 이미지로부터 DBC(direct bonded copper) 크랙, 솔더 보이드, EMC(epoxy mold compound) 박리, 스페이서 비틀림, DMC 보이드 및 세라믹 패턴 박리 등과 같은 제조 결함들이 존재하는지 여부가 판정될 수 있다.
도 2는 일부 실시예에 따른 초음파 기반의 불량 소자 검사 장치를 구성하는 요소들을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 초음파 기반의 불량 소자 검사 장치(100)는 로딩 암(110), 스테이지 컨베이어(120), 초음파 프로브 어레이(130) 및 프로세서(140)를 포함할 수 있다. 다만 이에 제한되는 것은 아니고, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 반전기(150) 등의 구성이 불량 소자 검사 장치(100)에 더 포함될 수 있다.
로딩 암(110), 스테이지 컨베이어(120), 초음파 프로브 어레이(130) 및 프로세서(140)는 불량 소자 검사 장치(100)의 동작 방법을 구성하는 단계들을 수행할 수 있다. 각 단계가 순차로 수행됨에 따라 피검체 반도체 소자의 경계면 패턴 이미지가 생성될 수 있고, 그로부터 제조 결함이 존재하는지 여부가 판정될 수 있다.
한편, 피검체 반도체 소자는 자율주행 차량용 전력 모듈 소자를 포함할 수 있다. 자율주행 차량용 전력 모듈 소자의 경우, 잠재적 불량 요소의 존재 여부가 향후 자율주행 차량 사고 위험과 직결되는 것이므로, 출하되는 모든 소자들에 대해 초음파 불량 검사가 이루어져야 하고, 따라서 불량 소자 검사 장치(100)가 정확성 및 신속성을 가질 것이 요구될 수 있다.
도 3은 일부 실시예에 따른 초음파 기반의 불량 소자 검사 장치의 동작 방법을 구성하는 단계들을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 초음파 기반의 불량 소자 검사 장치(100)의 동작 방법(300)은 피검체 로딩 단계(310) 내지 이미지 생성 단계(340)를 포함할 수 있다. 다만 이에 제한되는 것은 아니고, 다른 범용적인 단계들이 동작 방법(300)에 더 포함될 수 있다.
동작 방법(300)은 불량 소자 검사 장치(100)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성될 수 있다. 로딩 암(110), 스테이지 컨베이어(120), 초음파 프로브 어레이(130) 및 프로세서(140)는 각각 피검체 로딩 단계(310) 내지 이미지 생성 단계(340)를 수행할 수 있다.
피검체 로딩 단계(310)에서, 로딩 암(110)은 피검체 반도체 소자를 초음파 검사 스테이지에 로딩할 수 있다. 한편, 피검체 반도체 소자는 상면 반도체 패턴, 반도체 기판 및 하면 반도체 패턴을 포함할 수 있고, 상면 반도체 패턴은 반도체 기판의 기판 상면에, 하면 반도체 패턴은 반도체 기판의 기판 하면에 형성될 수 있다.
스테이지 이동 단계(320)에서, 스테이지 컨베이어(120)는 피검체 반도체 소자가 로딩되어 있는 초음파 검사 스테이지를 일정한 스캔 간격만큼씩 이동시킬 수 있다. 예를 들면, 스테이지 컨베이어(120)는 도 1a에 도시되어 있는 좌우 방향으로 초음파 검사 스테이지를 이동시킬 수 있다.
초음파 스캐닝 단계(330)에서, 초음파 프로브 어레이(130)는 초음파 검사 스테이지의 일정한 스캔 간격마다 불량 검사용 초음파 신호를 피검체 반도체 소자의 일면에 조사할 수 있다.
피검체 반도체 소자의 일면은 상면 반도체 패턴 및 하면 반도체 패턴 중 어느 하나일 수 있고, 피검체 반도체 소자의 타면은 양자 중 다른 하나일 수 있다. 예를 들면 일면은 상면 반도체 패턴을, 타면은 하면 반도체 패턴을 의미할 수 있다. 한편, 초음파 프로브 어레이(130)는 도 1a에 도시되어 있는 상하 방향으로 불량 검사용 초음파 신호를 조사할 수 있다.
이미지 생성 단계(340)에서, 프로세서(140)는 불량 검사용 초음파 신호가 피검체 반도체 소자로부터 반사되어 생성되는 초음파 에코 신호에 기초하여 피검체 반도체 소자의 경계면 패턴 이미지를 생성할 수 있다.
상기 초음파 스캐닝 단계(330)는 제1초음파 프로브 어레이(130)가 상기 피검체 반도체 소자의 일면(상면)에 초음파 신호를 조사하는 제1 상기 초음파 스캐닝 단계와, 제2초음파 프로브 어레이(130)가 상기 피검체 반도체 소자의 타면(하면)에 초음파 신호를 조사하는 제2 상기 초음파 스캐닝 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이미지 생성 단계(340)는 상기 제1 상기 초음파 스캐닝 단계와 제2 상기 초음파 스캐닝 단계 각각이 종료될 때 마다 수행될 수도 있고, 일면과 타면에 대한 스캐닝이 종료된 이후 한번의 단계로 수행될 수도 있다.
한편, 동작 방법(300)은, 그 방법을 실행하는 명령어들을 포함하는 적어도 하나의 프로그램 또는 소프트웨어가 기록되는 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수도 있다.
도 4는 일부 실시예에 따른 초음파 프로브 어레이의 구조 및 동작 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 초음파 프로브 어레이의 예시적인 구조도(410, 420) 및 초음파 프로브 어레이의 동작 방식(430)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 초음파 프로브 어레이는 어레이 구조를 갖기 때문에 단일 프로브 구조 대비 높은 정밀도 및 스캔 속도를 가질 수 있다.
구조도(410, 420)와 관련하여, 초음파 프로브 어레이는 일정한 피치(pitch)를 두고 일렬로 배열되는 복수의 프로브 요소들을 포함할 수 있고, 복수의 프로브 요소들 각각의 크기 및 복수의 프로브 요소들이 갖는 일정한 피치의 크기는 상기 피검체 반도체 소자의 1매당 스캐닝 소요 시간에 따라 결정될 수 있다.
복수의 프로브 요소들은 진동자(oscillator)의 형태로 구성되어 위상맞춤 어레이 초음파(Phased array ultrasonics) 등의 방식으로 불량 검사용 초음파 신호를 생성할 수 있다. 복수의 프로브 요소들의 배열 간격을 나타내는 피치, 및 각 프로브 요소의 크기에 따라 스캐닝 속도가 달라질 수 있다. 도 9 및 도 10에서 후술할 바와 같이, 다른 요소들이 동일할 때 피치가 커질수록 스캐닝 속도는 빨라지는 대신 스캐닝 해상도가 감소할 수 있다.
자율주행 차량용 전력 모듈 소자 등의 경우에서와 같이 다량의 소자들에 대한 전수 검사가 필요한 경우에는, 소자 1매당 소요 시간, 즉 스캐닝 속도에 대한 요구 사항이 설정되는 경우가 있을 수 있다. 이 때 요구 스캐닝 속도를 충족시키기 위해 프로브 요소들 간의 피치, 또는 각 프로브 요소의 크기와 같은 초음파 프로브 어레이의 세부 사양이 변경될 수 있다.
동작 방식(430)에서와 같이, 초음파 프로브 어레이는 피검체 반도체 소자에 대한 초음파 스캐닝을 수행할 수 있다. 일정한 크기, 예를 들면 190 mm * 140 mm의 크기를 갖는 소자에 대해 스캔 간격마다 하나의 라인씩 면 방식의 스캐닝이 수행될 수 있다.
도 5는 일부 실시예에 따른 초음파 프로브 어레이를 활용하여 피검체 반도체 소자의 경계면 패턴 이미지를 생성하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 초음파 프로브 어레이를 활용하여 피검체 반도체 소자의 경계면 패턴 이미지를 생성하는 방식과 관련하여 초음파 스캐닝 과정(510) 및 에코 생성 과정(520)이 도시되어 있다.
초음파 스캐닝 과정(510)과 관련하여, 초음파 프로브 어레이(130)의 피검체 반도체 소자에 대한 초음파 스캐닝은 초음파 전달용 매질을 통해 수행될 수 있다. 구체적으로, 불량 검사용 초음파 신호는 고주파수 영역에서 발생하는 불량 검사용 초음파 신호의 감쇠를 방지하기 위해 초음파 프로브 어레이 및 피검체 반도체 소자 사이에 충전되는 초음파 전달용 매질을 통해 상면 반도체 패턴에 조사될 수 있고, 초음파 전달용 매질은 액체일 수 있으며, 상기 액체는 물이나 기타 초음파 전달이 용이한 성질의 혼합물일 수 있다.
초음파 프로브 어레이(130)에 의한 불량 검사용 초음파 신호는 매질을 통해 피검체 반도체 소자로 조사되어 물질간 경계면에서 반사될 수 있다. 예시로서, 피검체 반도체 소자는 상면 반도체 패턴, 반도체 기판 및 하면 반도체 패턴의 3층 구조를 가질 수 있고, 층간 경계면 또는 매질-소자 경계면에서 초음파 신호 반사가 발생할 수 있다.
에코 생성 과정(520)에서와 같이, 반사된 초음파 신호, 즉 초음파 에코 신호는 경계면 물질의 성질을 반영할 수 있다. 도시된 바와 같이 경계면의 종류마다 상이한 특성의 초음파 에코 신호가 발생할 수 있고, 특히 피검체 반도체 소자의 내부에 결함이 존재하는 경우에는, 해당 결함의 경계에서 그에 대응되는 초음파 에코 신호가 발생할 수 있다.
따라서, 프로세서(140)는 피검체 반도체 소자로부터의 초음파 에코 신호를 분석함으로써 경계면 패턴에 이상이 없는지, 또는 크랙이나 박리 등과 같은 내부 결함이 존재하지는 않는지를 나타내는 경계면 패턴 이미지를 생성할 수 있다.
도 6은 일부 실시예에 따른 피검체 반도체 소자의 구조 및 이를 초음파 프로브 어레이를 통해 스캐닝하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 예시적으로 복수의 피검체 반도체 소자들이 형성되어 있는 반도체 기판의 정면도(610) 및 평면도(620)가 도시되어 있고, 기판 다이싱을 통해 분리된 하나의 피검체 반도체 소자에 대해 초음파 스캐닝이 수행되는 스캐닝 경로(630)가 도시되어 있다.
정면도(610)에서와 같이, 피검체 반도체 소자의 반도체 기판은 기판 상면에 형성되는 상면 반도체 패턴 및 기판 하면에 형성되는 하면 반도체 패턴을 가질 수 있다. 예시적으로, 반도체 패키징 설계에 따라, 상하면 패턴들 중 실질적인 세부 회로 패턴은 어느 한 면에 형성될 수 있고, 다른 한 면에는 방열 구조 등 부수적인 패턴이 형성될 수 있다.
평면도(620)에서와 같이 하나의 반도체 기판에 형성되어 있는 복수의 피검체 반도체 소자들에 대해서는 다이싱에 의한 분리 과정 없이 일괄적으로 초음파 스캐닝을 통한 불량 검사가 수행될 수도 있고, 또는 다이싱 이후 개별 소자마다 불량 검사가 수행될 수도 있다.
스캐닝 경로(630)와 관련하여, 초음파 프로브 어레이(130)는 수 회의 전후 방향의 스캐닝을 수행함으로써 피검체 반도체 소자의 전체 면적에 대해 불량 검사용 초음파 신호를 조사할 수 있다. 예를 들면, 피검체 반도체 소자의 좌우 방향 길이의 절반이 되도록 초음파 프로브 어레이(130)의 세부 사양, 즉 각 프로브 요소의 크기와 어레이 피치가 결정되는 경우, 2회의 전후 방향 스캐닝을 통해 피검체 반도체 소자의 모든 부위가 검사될 수 있다.
한편, 초음파 스캐닝의 세부 설정은 다양한 형태로 결정될 수 있다. 예를 들면, 불량 검사용 초음파 신호가 조사될 때 초음파 프로브 어레이 및 상면 반도체 패턴은 6 mm 이상 10 mm 이하 간격의 흡착 상태에 있을 수 있고, 불량 검사용 초음파 신호의 주파수는 60 MHz 이상 90 MHz 이하일 수 있다. 또는, 8 mm 간격의 흡착 상태 및 75 MHz의 주파수가 활용될 수 있고, 기타 초음파 프로브 어레이(130)의 세부 사양 및 초음파 전달용 매질의 종류 등에 따라 다른 수치가 채용될 수 있다.
도 7은 일부 실시예에 따른 피검체 반도체 소자의 실물 이미지 및 그에 대한 경계면 패턴 이미지를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 피검체 반도체 소자의 실물 이미지(710) 및 불량 소자 검사 장치(100)를 통해 피검체 반도체 소자로부터 측정된 경계면 패턴 이미지(720)가 도시되어 있다.
실물 이미지(710)는 도 6의 정면도(610)에서와 같이 하나의 반도체 기판 상에 복수의 피검체 반도체 소자들이 형성되어 있는 것을 나타낼 수 있다. 복수의 피검체 반도체 소자들에 대한 초음파 검사의 결과, 경계면 패턴 이미지(720)와 같이 소자 내부에 형성되어 있는 세부 회로 패턴이 프로세서(140)에 의해 규명될 수 있다.
한편, 경계면 패턴 이미지(720)에서와 같이 형성되어 있는 피검체 반도체 소자의 세부 회로 패턴은 3차원 돌출 구조를 가질 수 있고, 3차원 돌출 구조에 의해 초음파 신호의 산란이 발생하는 경우에는, 소자 내부에 존재하여 잠재적인 불량 원인이 되는 세부 결함이 검출되기 어려워질 수 있다. 따라서, 초음파 산란의 영향을 억제하기 위한 방안이 요구될 수 있다.
도 8은 일부 실시예에 따른 피검체 반도체 소자의 세부 회로 패턴 및 그로 인한 초음파 산란의 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 피검체 반도체 소자에 형성되어 있는 3차원 구조의 세부 회로 패턴(810), 및 세부 회로 패턴(810)이 형성되어 있는 방향으로 초음파 검사를 수행한 경우에 초음파 산란의 영향을 받은 산란 이미지(820)가 도시되어 있다.
세부 회로 패턴(810)에서, 구리 도선들은 일정한 높이로 형성되어 3차원 구조를 형성할 수 있다. 이 때 세부 회로 패턴(810)의 도선간 공간(811)은 비어 있는 공간임에도 불구하고 3차원 구리 도선들에 의한 초음파 산란의 영향으로 산란 이미지(820)의 도선간 공간(821)이 흐리게 검출된다는 점이 확인될 수 있다.
위와 같은 초음파 산란의 영향을 방지하기 위해서는, 초음파 프로브 어레이(130)에 의한 불량 검사용 초음파 신호를 세부 회로 패턴(810)의 구리 도선들이 돌출되어 있는 면에 대해 조사하는 대신, 그 반대 면의 반도체 기판을 통과하여 조사하는 방식이 채용될 수 있다. 예를 들면, 세부 회로 패턴(810)이 하면 반도체 패턴에 형성되어 있는 경우, 상면 반도체 패턴에 대해 불량 검사용 초음파 신호가 조사될 수 있다.
즉, 피검체 반도체 소자의 세부 회로 패턴은 피검체 반도체 소자의 일면의 반대편인 타면으로부터 돌출되는 형상으로 형성될 수 있고, 상면 일면에 조사되는 불량 검사용 초음파 신호는 일면 및 피검체 반도체 소자의 반도체 기판을 거쳐 세부 회로 패턴의 경계면에서 반사되어 초음파 에코 신호를 생성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상면 반도체 패턴 및 하면 반도체 패턴은 각각 일면 및 타면으로 지칭될 수 있다. 초음파 산란의 유무에 따른 이미지 정밀도 차이는 도 9 내지 도 12를 통해 후술될 수 있다.
도 9는 일부 실시예에 따른 상하 동시 측정 방식에서 초음파 프로브 어레이의 피치별 경계면 패턴 이미지를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 상하 동시 측정 방식(910) 및 상하 동시 측정 방식(910)에서 상면 반도체 패턴(일면)에 대한 초음파 스캐닝에 의한 상면 이미지(920) 및 하면 반도체 패턴(타면)에 대한 초음파 스캐닝에 의한 하면 이미지(930)가 도시되어 있다.
상하 동시 측정 방식(910)은 상면 반도체 패턴에 대해 초음파 프로브 어레이(130)를 통해 상면 이미지(920)를 생성함과 동시에, 하면 이미지(930)를 생성하는 방식을 의미할 수 있다. 이 때 피검체 반도체 패턴의 세부 회로 패턴은 상면 반도체 패턴(일면) 및 하면 반도체 패턴(타면) 중 어느 한 곳에만 형성되어 있을 수 있다.
즉, 초음파 스캐닝 단계(330)에서, 초음파 프로브 어레이(130)에 의해 일면에 대한 초음파 스캐닝이 수행됨과 동시에 타면에 불량 검사용 초음파 신호를 조사하도록 추가로 구비되는 추가 초음파 프로브 어레이(미도시)에 의해, 일면에 대한 초음파 스캐닝 및 타면에 대한 초음파 스캐닝이 동시에 수행될 수 있다.
상하 동시 측정 방식(910)의 결과로, 상면 반도체 패턴에 대한 상면 이미지(920) 및 하면 반도체 패턴에 대한 하면 이미지(930)가 생성될 수 있다. 한편, 도시된 바와 같이 초음파 프로브 어레이(130) 및 추가 초음파 프로브 어레이의 어레이 피치에 따라 패턴 이미지의 해상도가 달라질 수 있다. 어레이 피치가 작을수록, 즉 프로브 요소들이 촘촘하게 배열될수록 높은 해상도의 이미지가 얻어질 수 있다.
또한 예시적으로, 상면 이미지(920)에서와 같이 상면 반도체 패턴(일면)에는 별도의 세부 회로 패턴이 존재하지 않을 수 있고, 하면 이미지(930)에서와 같이 하면 반도체 패턴(타면) 상에 세부 회로 패턴이 형성될 수 있다. 종합하면, 상하 동시 측정 방식(910)에서 초음파 프로브 어레이(130) 및 추가 초음파 프로브 어레이에 의해 일면과 타면에 대한 초음파 스캐닝이 동시에 수행되는 경우, 세부 회로 패턴의 3차원 구조로 인한 초음파 산란에 의한 영향으로 전반적으로 흐린 이미지가 얻어진다는 점이 확인될 수 있다.
한편, 상하 동시 측정 방식(910)은, 도 10에서 후술될 상하 별도 측정 방식과 비교하기 위해 설명된 것으로서, 이하에서는 상하 별도 측정 방식이 설명될 수 있다.
도 10은 일부 실시예에 따른 상하 별도 측정 방식에서 초음파 산란의 영향 없이 생성되는 피치별 경계면 패턴 이미지를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 상하 별도 측정 방식(1010) 및 상하 별도 측정 방식(1010)에 따른 상면 반도체 패턴에 대한 상면 이미지(1020) 및 하면 반도체 패턴에 대한 하면 이미지(1030)가 도시되어 있다.
상하 별도 측정 방식(1010)은, 도 9의 상하 동시 측정 방식(910)의 경우와는 달리, 상면 반도체 패턴(일면)에 대한 초음파 스캐닝이 수행되어 상면 이미지(1020)가 생성된 이후에, 하면 반도체 패턴(타면)에 대한 초음파 스캐닝이 수행되어 하면 이미지(1030)가 생성될 수 있다.
즉, 상하 별도 측정 방식(1010)과 관련하여, 초음파 스캐닝 단계(330)에서, 초음파 프로브 어레이(130)에 의해 일면에 대한 초음파 스캐닝이 수행된 이후, 타면에 불량 검사용 초음파 신호를 조사하도록 추가로 구비되는 추가 초음파 프로브 어레이(미도시)에 의해 타면에 대한 추가 초음파 스캐닝이 수행될 수 있다.
한편, 반전기(150)를 활용하는 경우 추가 초음파 프로브 어레이가 구비되지 않더라도 상하 별도 측정 방식(1010)이 수행될 수 있다. 구체적으로, 초음파 스캐닝 단계(330)에서, 초음파 프로브 어레이(130)에 의해 일면에 대한 초음파 스캐닝이 수행된 이후, 불량 소자 검사 장치(100)의 반전기(150)에 의해 피검체 반도체 소자가 상하 반전되어 초음파 프로브 어레이(130)에 의해 타면에 대한 추가 초음파 스캐닝이 수행될 수 있다.
상하 별도 측정 방식(1010)에서는 상면 이미지(1020) 및 하면 이미지(1030)를 각각 생성할 때 초음파 프로브 어레이(130) 및 추가 초음파 프로브 어레이에 의해 일면과 타면에 대해 불량 검사용 초음파 신호가 동시에 조사되지 않기 때문에, 3차원 구조로 인한 초음파 산란의 영향 없이 보다 정밀한 이미지가 생성될 수 있다. 상하 동시 측정 방식(910)에서와 마찬가지로 상하 별도 측정 방식(1010)에서도 어레이 피치가 작을수록 더 선명한 이미지가 취득될 수 있다.
도 11은 일부 실시예에 따른 상하 별도 측정 방식에서 중, 두개의 초음파 프로브 어레이(130)를 이용하여 동시에 2개의 라인을 스캐닝하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 상하 동시 측정 방식(910)과 비교할 때 상하 별도 측정 방식(1010)은 높은 스캐닝 해상도를 가질 수 있으나, 그에 대한 반대 급부로 스캐닝 소요 시간이 상대적으로 길어질 수 있다는 점을 해소하기 위한 방식으로서, 피검체 반도체 소자의 상반부에 대한 초음파 스캐닝이 2개의 라인으로 동시에 수행되는 이중 어레이 방식(1100)이 도시되어 있다.
즉, 초음파 프로브 어레이(130)와 나란하게 구비되는 추가 초음파 프로브 어레이에 의한 이중 어레이 구조에 따르면, 피검체 반도체 소자가 이중으로 동시에 스캔될 수 있어, 스캔 소요 시간이 더욱 저감될 수 있다.
이중 어레이 방식(1100)에서는, 초음파 스캐닝 단계(330)에서, 초음파 프로브 어레이(130)에 의한 피검체 반도체 소자의 상반부에 대한 초음파 스캐닝 및 초음파 프로브 어레이(130)와 나란하게 추가로 구비되는 추가 초음파 프로브 어레이에 의한 다른 피검체 반도체 소자의 상반부에 대한 초음파 스캐닝이 동시에 수행될 수 있다.
도 12는 일부 실시예에 따른 상하 동시 측정 방식 및 상하 별도 측정 방식을 비교하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 상하 동시 측정 방식(910)에 의한 상하 동시 패턴 이미지(1210) 및 상하 별도 측정 방식(1010)에 의한 상하 별도 패턴 이미지(1220)가 도시되어 있다.
상하 동시 측정 방식(910) 및 상하 별도 측정 방식(1010)을 비교하면, 상하 동시 패턴 이미지(1210)에서는 상하 동시 측정에 의해 세부 회로 패턴의 구리 도선들 사이의 공간이 초음파 산란으로 인해 어둡게 측정되는 것에 반해, 상하 별도 패턴 이미지(1220)에서는 구리 도선들 사이의 공간까지 더욱 세밀하게 검사될 수 있음이 확인될 수 있고, 확대도(1221)에서와 같이 구리 도선 패턴 사이의 보이드(void)와 같은 잠재 결함까지 검출될 수 있음이 확인될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명되었으나 본 발명에 따른 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니고, 다음의 청구범위에 기재되어 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명에 따른 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 불량 소자 검사 장치 110: 로딩 암
120: 스테이지 컨베이어 130: 초음파 프로브 어레이
140: 프로세서 150: 반전기

Claims (10)

  1. 로딩 암에 의해, 피검체 반도체 소자가 초음파 검사 스테이지에 로딩되는 피검체 로딩 단계;
    스테이지 컨베이어에 의해, 상기 피검체 반도체 소자가 로딩되어 있는 상기 초음파 검사 스테이지가 초음파 프로브 어레이와 마주보도록 이동되는 스테이지 이동 단계;
    상기 초음파 프로브 어레이에 의해 불량 검사용 초음파 신호가 상기 피검체 반도체 소자의 일면에 조사되는 제1초음파 스캐닝 단계;
    상기 제1초음파 스캐닝 단계에서, 상기 초음파 프로브 어레이에 의해 상기 일면에 대한 초음파 스캐닝이 수행된 이후, 상기 일면의 반대면인 타면에 상기 불량 검사용 초음파 신호를 조사하도록 추가로 구비되는 추가 초음파 프로브 어레이에 의해 상기 타면에 대한 추가 초음파 스캐닝이 수행되는 제2초음파 스캐닝 단계; 및
    프로세서에 의해, 상기 불량 검사용 초음파 신호가 상기 피검체 반도체 소자로부터 반사되어 생성되는 초음파 에코 신호에 기초하여 상기 피검체 반도체 소자의 경계면 패턴 이미지가 생성되는 이미지 생성 단계; 를 포함하며,
    상기 피검체 반도체 소자의 패턴은 상기 일면 및/또는 타면에서 소정의 높이만큼 돌출형성되고,
    상기 불량 검사용 초음파 신호가 조사될 때 상기 초음파 프로브 어레이 및 상기 반도체 소자의 일면과 타면 중 상측에 형성된 상면 반도체 패턴은 6 mm 이상 10 mm 이하 간격의 흡착 상태에 있고, 상기 불량 검사용 초음파 신호의 주파수는 60 MHz 이상 90 MHz 이하
    인 것을 특징으로 하는 초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2초음파 스캐닝 단계에서는,
    상기 초음파 프로브 어레이에 의해 상기 일면에 대한 초음파 스캐닝이 수행된 이후, 상기 불량 소자 검사 장치의 반전기에 의해 상기 피검체 반도체 소자가 상하 반전되어 상기 추가 초음파 프로브 어레이에 의해 상기 타면에 대한 추가 초음파 스캐닝이 수행되는, 초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 불량 검사용 초음파 신호는 고주파수 영역에서 발생하는 상기 불량 검사용 초음파 신호의 감쇠를 방지하기 위해 상기 초음파 프로브 어레이 및 상기 피검체 반도체 소자 사이에 충전되는 초음파 전달용 매질을 통해 상기 반도체 소자의 일면과 타면 중 상측에 형성된 상면 반도체 패턴에 조사되고,
    상기 초음파 전달용 매질은 액체인, 초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 프로브 어레이는 일정한 피치(pitch)를 두고 일렬로 배열되는 복수의 프로브 요소들을 포함하고,
    상기 복수의 프로브 요소들 각각의 크기 및 상기 복수의 프로브 요소들이 갖는 일정한 피치의 크기는 상기 피검체 반도체 소자의 1매당 스캐닝 소요 시간에 따라 결정되는, 초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 피검체 반도체 소자는 자율주행 차량용 전력 모듈 소자를 포함하는, 초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1초음파 스캐닝 단계에서, 상기 초음파 프로브 어레이에 의한 상기 피검체 반도체 소자의 상반부에 대한 초음파 스캐닝 및 상기 초음파 프로브 어레이와 나란하게 추가로 구비되는 추가 초음파 프로브 어레이에 의한 상기 피검체 반도체 소자의 하반부에 대한 초음파 스캐닝이 동시에 수행되는, 초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1초음파 스캐닝 단계에서, 상기 초음파 프로브 어레이에 의해 상기 일면에 대한 초음파 스캐닝이 수행됨과 동시에 상기 일면의 반대면인 타면에 상기 불량 검사용 초음파 신호를 조사하도록 추가 로 구비되는 추가 초음파 프로브 어레이에 의해, 상기 일면에 대한 초음파 스캐닝 및 상기 타면에 대한 초음파 스캐닝이 동시에 수행되는, 초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법.
  10. 제1항, 제3항 내지 제6항, 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항의 초음파 프로브를 이용한 불량 소자 검사방법을 수행하도록 구성되는, 불량 소자 검사 장치.
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