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- 2. Rh의 도금은 Rh의 내부응력으로 인해 균열을 발생시키며 도금조건이 매우 어렵다. 따라서 Rh의 하층으로 가장 효율적인 Au를 버퍼층으로 활용하였으며, Au 버퍼층을 통해 균열없는 6.
제안 방법
- 1. 프로브 카드에서 프로브팁의 내마모성은 프로브 카드의 수명과 연관 되는 특성이며, 내마모성을 만족시키기 위해 MEMS 공정을 통해 제작된 Ni-Co 프로브 팁 상부에 Rh을 도금하였다.
- 3. 이중 Rh층이 도금된 프로브 팁은 신뢰성 평가를 위해 50,000회 이상의 touch down test를 진행하였다. 이중 Rh층 프로브 팁은 Rh의 높은 경도로 인해 검사 후에도 Ni-Co 프로브 팁에 비하여 초기형상을 거의 유지하는 우수한 내구성을 가진다.
- Au 버퍼층 위에 코팅된 Rh층에서 균열이 발생하는 Rh 도금층의 두께 한계를 관찰하기 위해 Ni-Co 프로브 층의 상부에 Au 버퍼층을 코팅한 후 각각 3.0, 4.0, 5.0 µm 두께의 Rh층을 도금하였다.
- 0 µm의 두께로 전착시켜 주었으며 각 도금액의 성분들은 표 1에 나타내었다. Au 층을 전착한 후 Rh 층을 반복적으로 전착하여 2중 Rh층을 갖는 프로브 팁 구조물을 제작하였다(그림 1i).
- 이중 Rh 층을 가지는 프로브 팁의 Cres를 측정하기 위해 Au 패드를 사용한 프로브 카드 전용시험 장비인 PRVX 2가 사용되었다. PRVX 2는 VI 소스(source)를 이용하여 해당 채널(channel)에 지정된 전류(I)를 인가하고 voltage drop(V)을 측정한 다음 Cres= V/I의 수식을 이용하여 산출하였다. 측정 시 인가한 전류 조건은 10 V, 50 mA이었다.
- 제작된 프로브 팁 형태에 피라미드 형상을 구현시키기 위해서 프로브 팁 몰드에 산화층을 입힌 후 45 wt% KOH 용액으로 80℃에서 7분 동안, 100 wt% tetramethylammonium hydroxide 용액으로 90℃에서 25분 동안 습식 식각을 하였다(그림 1d). 도금을 위한 시드(seed)층은 단차 피복(step coverage) 특성이 우수한 Cu를 채택하였으며, 시드층과 기판사이의 접착력을 증가시키기 위해 Ti을 스퍼터 공정을 통해 패턴 된 Si 기판 위에 증착하였다. 증착 조건은 Ti의 경우 아르곤 50 sccm, 5,000 W의 파워, 공정압력 5×10−2 torr에서 증착하였으며, 연속적으로 코팅된 Ti 위에 Cu를 Ar 가스 50 sccm, 1,600 W의 파워, 공정압력 5×10−2 torr에서 증착하였다.
- 따라서 본 연구는 프로브 팁의 내마모성을 증진하기 위해서 두꺼운 Rh층을 프로브 팁 끝에 도금하였으며, Rh의 전착 시 발생되는 내부 응력에 의한 균열 및 벗겨짐 현상을 방지하기 위해 Au를 버퍼층으로 사용하여 팁 상부에 6 µm 이상의 두꺼운 Rh 층을 형성하였다.
- 따라서 본 연구는 프로브 팁의 내마모성을 증진하기 위해서 두꺼운 Rh층을 프로브 팁 끝에 도금하였으며, Rh의 전착 시 발생되는 내부 응력에 의한 균열 및 벗겨짐 현상을 방지하기 위해 Au를 버퍼층으로 사용하여 팁 상부에 6 µm 이상의 두꺼운 Rh 층을 형성하였다. 또한 두꺼운 Rh 층을 포함하는 프로브 팁이 탑재된 멤스 프로브 카드의 기계적 및 전기적 특성을 관찰하였으며 두꺼운 Rh 도금층을 적용시킨 멤스 프로브 카드의 우수성을 실제 응용 하에서 평가하였다.
- 프로브팁의 도금 전에 Si 기판 위에 Ni-Co 프로브 구조와 동일하게 Ni-Co층 위에 Au층과 Rh층을 전착하였으며, Au 버퍼층에서 균열 없는 Rh 도금층의 두께 한계를 관찰하기 위한 방법으로 α-step(ASIQ, KLA Tencor)으로 두께를 측정하였으며, 표면 미세구조는 광학 현미경(DIMIS-M, ㈜시원광기술)을 사용하여 관찰하였다. 멤스 공정을 통해 제작되어진 프로브 팁의 미세 구조는 주사탐침 현미경(FE-SEM; HITACHI-S4800)을 사용하여 관찰하였다.
- Bosch 공정은 일반적으로 식각 단계, 중합반응(polymerization)으로 이루어진다. 식각단계로 Si 기판을 SF6 가스를 450 sccm, 2500 W의 파워를 이용하여 6초동안 식각하였으며, 식각 공정시 벽면 (sidewall)의 식각을 방지하기 위해 고분자 계열의 C4F8 가스를 300 sccm, 120 W의 파워로 3.5초 동안 중합반응을 하였다. 연속적으로 SF6 가스를 통한 식각, C4F8 가스 통한 중합반응을 반복적으로 하여 트렌치 구조를 형성 하였다(그림 1b).
- 5초 동안 중합반응을 하였다. 연속적으로 SF6 가스를 통한 식각, C4F8 가스 통한 중합반응을 반복적으로 하여 트렌치 구조를 형성 하였다(그림 1b). 도포된 감광액을 제거시킨 후, 다시 한 번 건식식각을 하여 프로브 팁과 빔 형태가 제작되었다(그림 1c).
- 이러한 문제점을 해결하기 위해서 Rh의 크랙 발생 범위 이내 두께인 3.0 µm로 전착하였으며 그림 3c에서 볼 수 있는 바와 같이 균열 없는 Rh 코팅층을 증착하였다.
- 이를 토대로 하여, 본 Rh 도금 두께는 Au 버퍼층 상부에 3.0 µm 두께의 Rh 도금층으로 적용하였다.
- 이중 Rh층을 갖는 프로브팁이 장착된 프로브 카드의 전기적 특성은 10 V, 50 mA의 전류조건을 인가하여, 프로브 카드 전용시험 장비인 PRVX 2(Applied Precision Inc.)를 사용하였다.
- 도포된 감광액을 제거시킨 후, 다시 한 번 건식식각을 하여 프로브 팁과 빔 형태가 제작되었다(그림 1c). 제작된 프로브 팁 형태에 피라미드 형상을 구현시키기 위해서 프로브 팁 몰드에 산화층을 입힌 후 45 wt% KOH 용액으로 80℃에서 7분 동안, 100 wt% tetramethylammonium hydroxide 용액으로 90℃에서 25분 동안 습식 식각을 하였다(그림 1d). 도금을 위한 시드(seed)층은 단차 피복(step coverage) 특성이 우수한 Cu를 채택하였으며, 시드층과 기판사이의 접착력을 증가시키기 위해 Ti을 스퍼터 공정을 통해 패턴 된 Si 기판 위에 증착하였다.
- 제작된 프로브 팁은 프로브 카드를 구조 형성을 위해 플립 칩 본딩(flip chip bonding) 기술을 이용하여 접합한 후, 30 g load cell(GSO-30, tansducer techniques)로 해당 overdrive를 인가하여, contact force를 측정하였다. 프로브 팁의 내마모성, 내화학성 검사는 실제 운영조건하에 반도체 소자에 일반적으로 많이 사용되는 Al 전극에 반복적으로 접촉시키는 touch down 검사를 하였으며 3차원 측정기 (VMR653, Nikon)를 통해 touch down 검사 후 Ni-Co 프로브 팁과 이중 Rh층을 같는 프로브팁의 표면 형상을 관찰하기 위해 사용되었다.
- 즉, 프로브 팁의 전착 조건과 동일 조건에서 Si 기판상에 시드층을 스퍼터 한 후, Ni-Co를 2.0 µm 전착시키고, Au층을 0.2 µm 전착시킨 뒤, Rh층을 각각 3.0, 4.0, 5.0 µm 전착하였다.
- 프로브 카드의 구조의 형성을 위해 Si 기판에 정렬되어 제작된 프로브팁의 배열은 그림 4와 같이 multi-layer ceramic(MLC) 기판상에 플립 칩 본딩 기술을 이용하여 접합되었으며, 검사 장비로의 전기적인 연결을 위한 printed circuit board(PCB) 및 여러 부품 요소들을 조립하여 프로브 카드 구조물을 제작하였다. 프로브 카드의 내구성 비교 시험을 위해 이중 Rh층이 적용된 프로브 팁이 탑재된 프로브 카드와 종래 Ni-Co 프로브 팁이 적용된 프로브 카드를 준비하였다.
- 먼저 기판위에 프로브 빔 (beam) 형태를 제작하기 위해 1 µm의 두꺼운 산화층을 증착하였다(그림 1a). 프로브 팁 몰드는 감광액(PR, photoresist) 패턴 후 bosch 공정4)을 통해 건식 식각(DRIE; deep reactive ion etching)을 하였다. Bosch 공정은 일반적으로 식각 단계, 중합반응(polymerization)으로 이루어진다.
- 제작된 프로브 팁은 프로브 카드를 구조 형성을 위해 플립 칩 본딩(flip chip bonding) 기술을 이용하여 접합한 후, 30 g load cell(GSO-30, tansducer techniques)로 해당 overdrive를 인가하여, contact force를 측정하였다. 프로브 팁의 내마모성, 내화학성 검사는 실제 운영조건하에 반도체 소자에 일반적으로 많이 사용되는 Al 전극에 반복적으로 접촉시키는 touch down 검사를 하였으며 3차원 측정기 (VMR653, Nikon)를 통해 touch down 검사 후 Ni-Co 프로브 팁과 이중 Rh층을 같는 프로브팁의 표면 형상을 관찰하기 위해 사용되었다.
- 프로브팁의 도금 전에 Si 기판 위에 Ni-Co 프로브 구조와 동일하게 Ni-Co층 위에 Au층과 Rh층을 전착하였으며, Au 버퍼층에서 균열 없는 Rh 도금층의 두께 한계를 관찰하기 위한 방법으로 α-step(ASIQ, KLA Tencor)으로 두께를 측정하였으며, 표면 미세구조는 광학 현미경(DIMIS-M, ㈜시원광기술)을 사용하여 관찰하였다.
대상 데이터
- 그림 3는 Ni-Co 프로브 팁 상부에 Au 버퍼 층을 형성한 후 전착된 Rh 층의 주사 전자 현미경 사진들이다. 최초에 제작된 Ni-Co 프로브 팁(그림 3a)에 강산의 Rh 도금액 의한 침식 방지 및 Rh의 내부응력을 조절 위해 금속 하층으로서 Au를 도금하였으며, 그 위에 Rh층을 전착하였다. 그러나 그림 3b에서 알 수 있는 바와 같이 5.
- 프로브 카드의 구조의 형성을 위해 Si 기판에 정렬되어 제작된 프로브팁의 배열은 그림 4와 같이 multi-layer ceramic(MLC) 기판상에 플립 칩 본딩 기술을 이용하여 접합되었으며, 검사 장비로의 전기적인 연결을 위한 printed circuit board(PCB) 및 여러 부품 요소들을 조립하여 프로브 카드 구조물을 제작하였다. 프로브 카드의 내구성 비교 시험을 위해 이중 Rh층이 적용된 프로브 팁이 탑재된 프로브 카드와 종래 Ni-Co 프로브 팁이 적용된 프로브 카드를 준비하였다. 프로브 카드의 내구성 실험은 일반적으로 반도체 패드로 사용되는 Al 패드가 형성된 기판 상에 프로브 팁이 반복적으로 접촉하도록 하는 touch down 검사를 실행하였다2,5).
성능/효과
- 4. 또한 프로브 팁과 반도체 웨이퍼 패드사이의 접촉 저항은 반도체 검사장비의 중요한 특성 중에 하나이며, 본 연구에서 제작한 이중 Rh층을 갖는 프로브 팁이 장착된 프로브 카드는 통상적으로 프로브 카드에 요구되는 특성을 상회하는 3.0 Ω 이하의 Cres 값을 가짐을 확인할 수 있었다.
- 그 결과, Rh층의 두께가 3.0 µm의 두께에서는 Rh층의 균열이 발생하지 않았지만 4.0 및 5.0 µm 두께에서는 Rh층 내에 균열들이 형성됨을 알 수 있었다.
- 따라서 Rh 도금의 하층으로 Au 버퍼층을 사용하여도 Rh 도금 층이 4.0 µm 이상으로 두꺼워 지면 Rh층의 내부응력에 의해 균열이 발생하며 균열 없는 Rh 도금층의 두께 한계가 3.0 µm임을 확인할 수 있었다.
- 따라서 Rh의 하층으로 가장 효율적인 Au를 버퍼층으로 활용하였으며, Au 버퍼층을 통해 균열없는 6.0 µm 이상의 이중 Rh층을 확보할 수 있었다.
- 이중 Rh층 프로브 팁은 Rh의 높은 경도로 인해 검사 후에도 Ni-Co 프로브 팁에 비하여 초기형상을 거의 유지하는 우수한 내구성을 가진다. 또한 프로브 카드 운영 온도에서 산화가 되지 않으며, 반도체 패드에 일반적으로 사용하는 Al패드와 낮은 금속간 고용도에 의해 프로브 테스트시 발생하는 Al 입자와의 정전기적 접착이 일어나지 않는 우수한 내화학성을 지니고 있음을 확인할 수 있었다.
- 5 Ω 정도로 간주 된다. 본 연구에서 제작된 이중 Rh층을 갖는 프로브 팁을 탑재한 프로브 카드는 3.0 Ω 이하의 Cres를 갖는 것으로 나타났으며, 이는 통상적인 프로브 카드의 사양을 충분히 만족시키며 우수한 전기적인 성질을 가진다.
- 종래의 Ni-Co 팁의 경우 그림 6a와 같이 2000회의 touch down test 후 프로브 팁 형상이 마모되었으며, Al 패드와 반복적인 접촉에 의해 발생한 Al 입자들이 정전기적 접착에 의해 프로브 팁의 상부에 남아 있음을 보여준다. 하지만 이중 Rh층을 갖는 프로브 팁은 그림 6b와 같이 2000회의 touch down 검사 후에도 검사 전과 거의 유사한 프로브팁 형상을 유지하였으며, 심지어는 그림 6c와 같이 50,000회의 touch down 검사 후에도 팁 끝의 마모와 Al 입자들과 정전기적 접착이 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 5. 제작된 멤스 프로브 카드는 메모리 반도체 검사용뿐만 아니라 메모리 반도체 검사용 프로브 카드보다 touch down 수가 10배 이상 많은 CMOS image sensor(CIS)용 프로브 카드의 실제로 응용될 것으로 기대된다.
- 따라서 Rh은 높은 내산화성 및 낮은 금속간 고용도에 의해 프로브 카드의 실제 운용 온도에서 Al 입자와의 정전기적 흡착을 발생시키지 않는다. 이러한 이중 Rh 층을 갖는 프로브 카드를 사용함으로서 내마모성이 우수하여 내구성을 증진시킬 뿐만 아니라 클리닝 공정을 최소화하여 검사 장비 가동률(test cell up-time)을 더욱 증대 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 0 µm 두께에서도 균열 없는 Rh 코팅층을 얻을 수 있었다. 즉, Rh/Au/ Rh/Au/Ni-Co 구조의 두꺼운 Rh 코팅층의 프로브 팁을 제조함으로서 프로브 팁의 내마모성과 실제 검사 시 운영 효율을 증진시킬 수 있을 것으로 기대된다.
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