일반총설 반도체패키징공정용 Debonding 기술및접착소재의응용 Debonding Technologies and Application of Adhesive for Semiconductor Packaging Process 이승우 1 ㆍ박초희 1 ㆍ박지원 1 ㆍ임동혁 1,2 ㆍ송준엽 3 ㆍ이재학 3 ㆍ김승만 3 ㆍ김현중 1 Seung-Woo LeeㆍCho-Hee ParkㆍJi-Won ParkㆍDong-Hyuk Limㆍ Jun-Yeob SongㆍJae-Hak LeeㆍSeung-Man KimㆍHyun-Joong Kim 1 Lab. of Adhesion and Bio-Composites, Program in Environmental Materials Science, College of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University, Daehak-dong, Gwanak-gu, Seoul 151-921, Korea 2 Techpia, 639, Bon-ri, Chungju-si, Chungcheongbuk-do 380-871, Korea 3 Department of Ultra Precision Machines and Systems, Korea Institute of Machinery & Materials, 156, Gajeongbuk-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-343, Korea E-mail: hjokim@snu.ac.kr (www.adhesion.org) 1. 서론 최근반도체산업의발달과더불어디바이스 (device) 의처리속도, 디자인 (design) 그리고고기능성이더욱요구되고있다 ( 그림 1). 특히휴대폰, 태블릿 PC와같은모바일디바이스 (mobile device) 의경우, 고성능화와더불어두께면에있어서경박화, 무게면에있어서경량화의과제를해결해야만한다. 따라서현재까지는반도체내의선폭을줄여서이와같은요구에대응해왔지만선폭또한 30-20 nm에서물리적한계를나타나고있기에 TSV(through silicon via) 3D 패키징기술이도입되게되었다. TSV 3D 패키징기술은실리콘디바이스웨이퍼 (silicon device wafer) 에 TSV drilling process, TSV filling process, temporary bonding 이승우 2009 서울대학교환경재료과학전공 2009- 현재서울대학교환경재료과학전공석박사통합과정 ( 박사수료 ) 박초희 2009 서울대학교환경재료과학전공 2009-현재서울대학교환경재료과학전공석박사통합과정 ( 박사수료 ) 박지원 2008 서울대학교환경재료과학전공 2008-현재서울대학교환경재료과학전공석박사통합과정 ( 박사수료 ) 임동혁 2003 서울대학교환경재료과학전공 2005 서울대학교환경재료과학전공 ( 석사 ) 2009 서울대학교환경재료과학전공 ( 박사수료 ) 2010-현재 테크피아 김승만 2007 인하대학교 2009 한국과학기술원 ( 석사 ) 2013 한국과학기술원 ( 박사 ) 2013-현재 한국기계연구원선임연구원 송준엽 2001 부산대학교 ( 박사 ) 2005-현재과학기술연합대학원, 대학교 (UST) 겸임교수 2008-현재지경부, 차세대반도체 MCP 사업단장 1995-현재한국기계연구원실장책임연구원김현중 이재학 2002 고려대학교 2005 한국과학기술원 ( 석사 ) 2009 한국과학기술원 ( 박사 ) 2009-현재 한국기계연구원선임연구원 1987 서울대학교임산공학과 1989 서울대학교임산공학과 ( 석사 ) 1995 The University of Tokyo 생물재료과학과 ( 박사 ) 1995-1996 Virginia Polytechinic Institute & State Univ., Center for Adhesive & Sealant Science, 화학과박사후연구원 1996-1999 State Univ. of New York at Stony Brook 재료공학과, NSF-Center for Polymer at Engineered Interface Research Scientist, 2010-2013 (Adjunct Professor) 1999- 현재서울대학교산림과학부환경재료과학전공교수 2008-2009 Colorado School of Mines 화학공학과, Visiting Professor 2013 Queens College, City University of New York, 물리학과, Visiting Professor 40 Polymer Science and Technology Vol. 26, No. 1, Feburary 2015
이승우ㆍ박초희ㆍ박지원ㆍ임동혁ㆍ송준엽ㆍ이재학ㆍ김승만ㆍ김현중 and debonding process, backgrinding process, 제작된초박형칩 (chip) 을 3D로적층하는 bonding process로크게나뉘어진다. 하지만각각의공정이해외업체중심으로연구개발되고있으며, 기존반도체패키징 (packaging) 장비와의연계및요소기술이상이하여기술적난제로손꼽히고있다. 1~17 이에지난호제24권 3호에서는이러한기술적이슈에대해고분자소재측면에서접근가능한 3D 멀티칩패키징용 temporary bonding & debonding 접착소재 라는주제로기술소개및연구동향을간단히살펴본바있다. 하지만지난호말미에서언급한바와같이패키징공정에서박막웨이퍼핸들링 (thin wafer handling) 을위한디본딩 (debonding) 이슈는소재대응관점에서바라보았을때매우중요한테마이며, 수율확보에있어서큰장애물로작용할수있다. 왜냐하면, 고분자소재의구성에따라장비구축및제작이다르게이루어지며한편으로는공정장비에대응할수있는소재또한매우국한되어연구개발될수밖에없기때문이다. 따라서이번호에서는반도체패키징공정에서제안되고있는디 그림 1. 3D IC 집적소자의응용분야 (yole development, 2013). 본딩기술및연구동향에대해서중점적으로살펴보고해결해야할이슈에대해논의해보고자한다. 2. 본론 2.1 TBDB(Temporary Bonding and Debonding) 공정 (Process) 에서의디본딩 (Debonding) 2.1.1 용매디본딩 (Solvent Debonding) 그림 2는용매 (solvent) 의침투에의해디본딩이이루어지는용매디본딩법 (solvent debonding) 의모식도이다. 이방법의가장큰특징은캐리어웨이퍼 (carrier wafer) 로써가공된퍼포레이티드캐리어웨이퍼 (perforated carrier wafer) 가사용된다는점이다. 용매가침투할수있을정도의미세한홀 (hole) 로가공되어있으며, 사용되는용매의특징및종류에따른홀의가공형태및캐리어웨이퍼의재질등을달리해야한다. 접착소재의관점에서바라본다면무엇보다도사용되는용매와의용해도 (solubility) 가고려되어야하고이를위해용해파라미터 (solubility parameter) 에대한선행연구가반드시진행되어야한다. 한편, 공정측면에서바라본다면상온 (room temperature) 에서디본딩이가능하고별도의고안된복잡한디본딩설비가필요하지않기때문에앞으로소개할다른디본딩방법에비해상대적으로경제적이라는장점을들수있겠다. 물론일반적인캐리어웨이퍼가아닌가공된캐리어웨이퍼라는점은비용상의단점으로제시될수있겠다. 또한가지큰단점으로지적될수있는부분은바로많은양의용매의사용이다. 반도체공정상대부분의작업은클린룸 (clean room) 에서이루어지기때문에많은양의용매를공정장비에투입해야한다는것은이에상응하는수준의 그림 2. 용매디본딩 (solvent debonding) 기술 (Tokyo Ohka Kogyo, Japan). 고분자과학과기술제 26 권 1 호 2015 년 2 월 41
일반총설 반도체패키징공정용 Debonding 기술및접착소재의응용 그림 3. Heat debonding 기술 (EVG, Brewer Science). 그림 4. Slide off 모식도 (EVG, Brewer Science). 리스크 (risk) 를수반하기때문이다. 더군다나작업자의안전을고려한다면큰단점으로지적될수있다. 2.1.2 열디본딩 (Heat Debonding) 그림 3은 200 이상의고온의열 (heat) 에의해디본딩이진행되는열디본딩법의모식도이다. 그림에서와같이, 본딩 (bonding) 된웨이퍼는장비내에서캐리어웨이퍼는아래쪽을향하고진공척 (vacuum chuck) 에의해지지되고있으며, 프로세스웨이퍼 (process wafer) 는위쪽을향하고척에고정되게된다. 그리고고온의열을이용해접착소재의분해를유도하고프로세스웨이퍼와캐리어웨이퍼간의접착력이감소되면좌우로디본딩이진행되는슬라이드오프 (slide off) 방식을가지게된다. 이후분리된각각의웨이퍼표면에남아있는잔사및이물등을제거하기위해세척공정 (cleaning process) 을시행하게되고다이싱테이프 (dicing tape) 에프로세스웨이퍼는부착되어다음공정으로진행된다. 이기술에서주목해야할점은크게두가지로나누어볼수있는데먼저, 사용되는접착소재의열분해거동 (thermal degradation behavior) 이다. 즉, 고온의공정온도에서효과적으로고분자의열분해 (thermal degradation) 가진행되어야하기에접착소재의임계온도까지의열안정성 (thermal stability) 그리고공정온도 (processing temperature) 에서의빠른열분해특성 (thermal degradation property) 을보여주어야만한다. 뿐만아니라고분자소재의분해후박막웨이퍼에손상를주지않아야하기에접착소재의열분해시화학 반응 (chemical reaction) 에의한가스 (gas) 의발생이나기포 (void) 의발생여부등을철저하게검증하여야한다. 한편으로는열분해이후디본딩되는힘에대한고려도연구되어야한다. 이는그림 4에서보여지는바와같이디본딩시잔류접착제에의해프로세스웨이퍼에크랙 (crack) 또는깨짐, 혹은웨이퍼위에형성되어있는범프 (bump) 등에손상을입혀기능손실및수율감소로이어질수있게되기때문이다. 두번째로주목해야할점은공정상의관점에서바라본다면고온의열처리를할수있는고가의장비와많은에너지소모, 그리고승온시간및디본딩후냉각시간등의추가적인비용이크게고려되어야만한다는점이다. 따라서디본딩장비에대한접착소재의적용성및안정성테스트등이충분히선행되어야한다. 2.1.3 박리접착제디본딩 (Peelable Adhesive Debonding) 그림 5는박리접착제를이용하여디본딩하는방법을나타낸모식도이다. 이기술의특징은먼저본딩과정에서프로세스웨이퍼 (process wafer) 에이형층 (release layer) 이형성되고있고, 접착제코팅 (coating) 은캐리어웨이퍼면에한후접합하는방식이라는점이다. 백그라인딩 (backgrinding) 및 TSV 공정후웨이퍼는다이싱테이프 (dicing tape) 등에지지되고, 디본딩은다이싱테이프에의해프로세스웨이퍼가분리되는과정을거치게된다. 이기술의특징은먼저앞서소개한열디본딩방법처럼고온의열처리및고가의열처리장비가필요하지않다는점과진행프로세스가상대적으로단순하다는점을들수있겠다. 하지만단점으로는디본딩이다이싱테이프에의해이루어지다보니다이싱테이프에대한의존성이크고, 프로세스웨이퍼에이형층처리를해야만한다는점이비용상고려되어야할점으로대두되고있다. 뿐만아니라웨이퍼본딩이후디본딩공정전까지의공정온도가가 200 이상으로진행되기에다이싱테이프의적용시필름의내열성및접착소재의적용가능성에문제점으로제시될수있다. 한편접착소재의관점에바라본다면백그라인딩및 TSV 공정에서는이형층와의접착력이유지되어야 42 Polymer Science and Technology Vol. 26, No. 1, Feburary 2015
이승우ㆍ박초희ㆍ박지원ㆍ임동혁ㆍ송준엽ㆍ이재학ㆍ김승만ㆍ김현중 하고, 디본딩시에는접착소재와이형층과의접착력이프로세스웨이퍼와이형층과의접착력보다더강하게유지되어야한다. 따라서접착소재의디자인및조성, 물성조절에대한철저한검증이이루어져야만한다. 2.1.4 상온디본딩 (Room Temperature Debonding) 그림 6은 non-sticky 처리를한캐리어웨이퍼를이용하는상온디본딩법의모식도이다. 그림에서알수있듯이웨이퍼본딩시캐리어웨이퍼의테두리부분만접착이되고디본딩시에는테두리부분에용제가침투하여접착소재의용해에의해디본딩이이루어지게된다. 이기술의장점으로는본딩과디본딩이진행되는동안프로세스웨이퍼의테두리영역을제외한나머지부분은직접적인손실이나디본딩시접착소재잔여물 (residue) 에의한크랙또는깨짐등이발생하지않는다는점에있다. 왜냐하면캐리어웨이퍼의 non-sticky zone 에의해지지되기때문이다. 또한열디본딩법과달리디본딩시고온의열처리과정이필요하지않기때문에상대적으로공정비용을단축시킬수있다. 하지만단점으로는디본딩시간이많이소요된다는점을들수있다. 테두리부분에용제를침투시켜분리해야하기에웨이퍼전체면적에대한디본딩을실시하는박리접착제디본딩 (peelable adhesive debonding), 열디본딩방법에비해상대적으로디본딩시간이많이소요된다. 더불어캐리어웨이퍼에 non-sticky 처 리를해야하기에비용적인부분에서도어느정도단점으로지적될수있다. 접착소재의관점에서바라본다면 non-sticky zone과는접착력을유지하지않은채접합상태로만진행되어야하고반면테두리에는강한접착력을가져야하기에접착하는기재와의계면에대한표면장력, 표면에너지등의거동을정확히파악하고디자인되어야한다. 앞서언급한바와같이이기술또한디본딩장비의요구특성에부합하는접착소재의연구개발이이루어져야하기때문에공정설비부문과의협력개발연구가필수적이다. 따라서접착소재자체에대한연구는기술적난제로손꼽히고있다. 2.1.5 레이져디본딩 (Laser Debonding) 레이저는유도방출에의해가간섭성 (coherent) 이높은빛을생성하므로직진성과집광성이뛰어나마이크로미터이하의좁은영역에높은에너지를집속시킬수있다. 또한증폭매질따라자외선 (ultraviolet) 대역에서적외선 (infrared) 대역까지다양한파장의광을생성할수있으며, 펄스생성방식에따라나노초부터펨토초까지의펄스폭을조절할수있다. 이러한레이저의특성은다양한소재에대해물리, 화학적반응을발생시켜선택적인영역에서매우빠른가공및개질을가능케하는광범위한적용성을갖는다. 최근반도체공정이높은정밀도를요함에따라정밀패터닝, 컷팅, 드릴링등의가공공정과정밀측정에이르기까지다양한공정에레이저가적용되고있으며, 최근이슈가되고있는디본딩공 그림 5. Peelable adhesive debonding 기술 (Thin Materials AG, Germany). 그림 6. Room Temperature Debonding 기술 (Brewer Science). 그림 7. Laser Debonding (3M). 고분자과학과기술제 26 권 1 호 2015 년 2 월 43
일반총설 반도체패키징공정용 Debonding 기술및접착소재의응용 정의레이저적용은접착제및특수코팅소재에대해급속화학적분해혹은경화 (curing) 를발생시켜고속, 무손상의디본딩을구현할수있다. 그림 7에서보여지는바와같이, UV 경화형접착소재 (ultraviolet curable adhesive) 를이용하여전면도포한후본딩 (bonding) 이이루어지게된다. 디본딩은근적외선파장의 YAG 레이져 (laser) 를이용하여전면을조사한후, 캐리어웨이퍼를들어올리는방식 (lift off) 으로분리하고, 프로세스웨이퍼위의경화된접착필름을제거하는방식으로공정이진행된다. 이기술의특징으로는먼저집속력이강한 YAG 레이저를이용하여매우빠른시간에디본딩이이루어질수있다는점을들수있다. 이를위해자외선광에대한높은투과도와근적외선광의높은흡수특성을갖는 LTHC층 (light to heat conversion layer) 이처리된캐리어글라스웨이퍼 (carrier glass wafer) 가사용되는데, 레이저가캐리어글라스웨이퍼위로조사되어 LTHC층에다다르면빛에너지가강하게흡수되어열에너지로전환되고전환된열에너지는 LTHC 층을분해시키므로접착력이감소되어디본딩공정이완료된다. 이외의다른레이저디본딩방식으로는 LTHC 층이필요없이 UV광에대한강한흡수특성을갖는 polyimide 계열의임시접착제를적용하는방식이있다. 자외선파장의고출력엑시머 (eximer) 나노초펄스레이저를캐리어글라스웨이퍼를통해접착제에조사하면접착제의강한흡수특성으로인해국부영역에서높은열이발생하고, 이열에너지는접착제의표면으로부터수십나노미터깊이내에서 chemical bond breaking 현상을발생시켜접착제와캐리어웨이퍼가분리되는레이저디본딩공정이수행된다. 공정상의관점에서바라본다면이기술들은레이져를이용하기에상온에서빠른디본딩공정을수행할수있다는장점이있지만, 반면에레이저를조사 (irradiation) 할때의조절인자 (controlling factor) 에대한고려가충분히이루어져야하며, 고가의레이져장비에대한주기적인관리가필요하다 는점에서유지비용이많이소요된다는단점이제기된다. 접착소재의관점에서바라본다면특정파장에대한높은흡수율을갖는소재가디자인되고적용되어야한다. 또한본딩시 UV 혹은열에의해경화가진행된이후디본딩시접착필름으로서제거될때쉽게박리되어야하며, 박리시프로세스웨이퍼에잔사물을남기거나크랙, 깨짐등의영향을끼쳐서는안된다. 따라서접착소재의경화거동에대한연구및디본딩시박리강도등에대한연구가철저하게이루어져야한다. 2.2 다이싱공정 (Dicing Process) 에서의디본딩 (Debonding) 그림 8은다이싱공정에서의 UV을이용한디본딩이진행되는모식도이다. 사용되는점착소재는 UV경화형점착제 (UV curable PSA(pressure-sensitive adhesive) 이며 UV에대한반응성 (reactivity) 및경화에따른물성조절이상대적으로용이하며, 가격적인면에있어서상대적으로유리한아크릴계점착제 (acrylic PSA) 를주로사용하게된다. 그림 8 에서와같이 UV 조사전에는강한접착력을유지하다가 UV 조사이후에는가교 (crosslinking) 에의해접착력이현저하게저하되어분리되는거동을보이게된다. 그림 9는아크릴계선형고분자 (acrylic linear polymer) 를경화시키기위해사용한가교제의구조와이와반응하는선형고분자내의카르복실기 (carboxyl functionality) 와의반응메커니즘을나타낸모식도이다. 아크릴계선형고분자의경우, 경화없이는낮은유리전이온도 (glass transition temperature, T g) 로인한고무상 (rubbery state) 의거동 (behavior) 으로인해점착소재자체의응집력 (cohesion) 저하및물성저하가나타나게된다. 따라서적절한경화메커니즘및가교제를선정하여적용되어야한다. 그림 10은 UV에의한경화를유도하기위해점착소재내에도입한다관능성아크릴계모노머 (multi-functional acrylic monomer) 이다. 앞서많은선행연구 18~25 를통해다양한구조와분자량, 물성을갖는 UV 경화형다관능성아크릴계모 그림 8. 다이싱공정 (dicing process) 모식도. 21 그림 9. Methylaziridine 을이용한점착제의가교과정모식도. 32 44 Polymer Science and Technology Vol. 26, No. 1, Feburary 2015
이승우ㆍ박초희ㆍ박지원ㆍ임동혁ㆍ송준엽ㆍ이재학ㆍ김승만ㆍ김현중 노머 (ultra violet curable multi-functional acrylic monomer) 에대한연구가진행된바있다. 그림 11은다이싱공정용점착소재를제조하기위해앞서언급한가교제를사용하고더불어다관능성아크릴계모노머를도입하여 UV 경화시킴으로써보다강직한형태의 IPN(interpenetrating polymer network) 구조를갖도록유도하는반응모식도이다. 즉고분자사슬의유동성 (flexibility) 을두번에걸친가교에의해현저하게낮추고점착력을제로에가까운상태로낮춤으로써디본딩이쉽게이루어지도록하는것이다. 물론이에대한연구 26~31 도국내외많은연구자들에의해서많이진행되고있다. 디본딩이후웨이퍼표면의모폴로지 (surface morphology) 를관찰하고분석하는작업또한매우중요한연구주제이다. 웨이퍼표면의모폴로지를분석하는방법은다양하게연구및제안되고있으며그중대표적으로 FE-SEM(field-emission scanning electron image) 과 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석법이있다. 그림 12는 FE-SEM을이용하여 UV 조사조건을달리하였을때디본딩후남아있는웨이퍼표면의점착제잔여물를관찰한것이다. UV 조사에너지가증가할수록가교에의한점착제의응집력향상으로보다박리가쉽게이루어지고남아있는잔여물의양또한감소됨을확인할수있다. 그림 13은 XPS를이용하여 UV 조사량증가에따른디본딩이후프로세스웨이퍼위의잔존하는 C 1s 와 Si 2p 의구성비를측정한것이다. 그림에서알수있듯이 UV 조사에너지가증가할수록 C 1s 의구성비는감소하지만 Si 2p 의구성비는증가하는거동을확인할수있다. 즉, 유기화합물인남아있는점착제의양이줄어듦으로써상대적으로프로세스웨이퍼의구성물질인실리콘의양은늘어나는것을확인할수있는것이다. 3. 결론 오늘날반도체산업은첨단기술이집약되어있는산업이자우리나라의중요한기반산업중의하나이다. 또한정밀화학, 고분자, 전자, 기계, 설비등다양한분야의연구개발및협업을통해서만경쟁력있는기술을확보할수있고세계적인반도체강국으로도약할수있다. 하지만반도체패키징공정용 (semiconductor packaging process) 핵심화학소재의경우모두해외에의존하고있으며, 서론에서언급하였듯이장비의존성이크기때문에진입장벽이높아국내연구가매우더딘것이현실이다. 따라서지금의패키징공정용디본딩에대한개념적인이해와각기다른방식에대한장단점을숙지하고적용되는점 접착소재의연구동향을살펴보는것은매우중요하며향후디본딩점 접착소재의설계및제조에필요한기초적인연구자료로활용되리라기대해본다. 그림 12. UV(ultraviolet) 조사량에따른디본딩 (debonding) 후웨이퍼 (wafer) 표면의 SEM image. (a) 0 mj/cm 2, (b) 50 mj/cm 2, (c) 100 mj/cm 2, (d) 200 mj/cm 2. 20 그림 10. Dipentaerythritol hexacrylate(dpha) 의화학구조식. 그림 11. 점착제의 IPN(interpenetrating network) 구조형성모식도. 31 그림 13. UV(ultraviolet) 조사량에따른디본딩 (debonding) 후웨이퍼 (wafer) 표면의 XPS 분석. (a) C 1s, (b) Si 2P. 20 고분자과학과기술제 26 권 1 호 2015 년 2 월 45
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