Win-Win Tech - 필름 프로브 유닛 기술
WIN-WIN TECH는 정부출연연구소 등 공공연구기관으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
세계 디스플레이산업은 TV, 스마트폰 시장을 중심으로 급격히 성장하고 있고, 최근에는 LCD 패널에서 OLED 패널로 진화해 가고 있으며, 고해상도 및 대형화로 발전하고 있다.
LCD 패널의 점등검사를 위한 핵심부품 역할을 하는 프로브 유닛 기술은 반도체 공정의 발달로 점차 그 기술이 첨단화되어가고 있으며, 특히 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 기술의 발전과 더불어 초미세 Probe Tip이 개발되어 초고해상도에 적합한 프로브 유닛 부품의 개발에 이르게 되었다.
MEMS 기술은 디스플레이뿐만 아니라 산업 전반에 걸쳐 응용이 가능하며 수 마이크로미터에서 수십 cm에 해당하는 크기의 마이크로 부품을 제작할 수 있는 공정기술로서, 관성센서, 압력센서, 적외선 센서 등에 적용되어 현재 제품에 적용되고 있으며, 메모리 및 비메모리 반도체 공정에서 3D 집적화 공정에서 그 진가를 발휘하고 있다.
국내 최대규모의 산업인 반도체, 디스플레이, 자동차 부품산업에서 이러한 MEMS 기술이 적용되고 있으며, 향후 MEMS 기술뿐 아니라 나노크기의 전자기계부품에 응용하는 NEMS(Nano Electro-Mechanical System) 기술도 실용화될 날이 얼마 남지 않은 것으로 보인다.
프로브 유닛이란 LCD 패널의 불량여부를 확인하는 점등검사용 핵심부품으로 패널 TFT에 전기적 신호를 인가하여 정상적인 컬러나 신호값이 나오는지를 검사하는 측정용 핵심부품이다( 그림 1 참조).
프로브 유닛을 자동검사 장비인 프로브 스테이션에 장착하여 각 디스플레이 패널 크기에 맞는 해상도에 접촉시킴으로써 각 모델별 정상적인 점등이 되었는지를 Visual Test를 통해 패널의 적(Red), 녹(Green), 청(Blue)의 정상 점등유무와 해상도 및 휘도 등을 검사하게 된다( 그림 2 참조).
최근 화상영상폰, 디지털카메라, MP4, PMP, 내비게이션, 디지털 TV 등의 가전제품의 수요증가에 따라 이에 장착되는 LCD, OLED 패널의 생산력 향상과 원가절감을 위한 검사기술이 요구되고 있는 실정이다.
프로브 유닛 기술은 LCD, PDP, OLED 등의 디스플레이의 발전에 따라 동반 성장해 왔으며, 셋트업체인 대기업의 수요가 매우 큰 규모를 가지고 있어 국가의 근간사업으로 자리매김 하고 있다.
프로브 유닛은 TFT-LCD 패널 사이즈가 증가하면서 초대형 LCD 패널 수요증대에 따른 대형 LCD 패널용 프로브 스테이션의 보급이 확대되면 단가상승의 효과를 기대할 수 있다.
프로브 유닛은 세대별로 MEMS 공정기술의 발달과 더불어 더욱 미세화되어가고 있으며, 1세대인 텅스텐 금속탐침 방식, 1.5세대인 니들·블레이드 타입, 2세대인 MEMS Unit이 있으며, 최근 Film 프로브 유닛의 개발로 제조기술은 제 3세대로 진입한 상태라 볼 수 있다.
1세대 프로브 유닛은 Needle(탐침) 접촉방식으로 텅스텐 바늘을 미세하게 제작하여 TFT 패드에 접촉하여 전기적 특성을 평가하는 방식이고, 1.5세대는 수작업과 MEMS 기술을 혼합한 공정이며, 2세대인 MEMS Unit은 모든 공정을 MEMS 공정기술을 이용하여 Unit을 제작하는 방식으로 슬릿 및 Pin을 각각 MEMS 공정으로 제작한 후 두 부품을 본딩 공정으로 결합하는 방법을 택한다.
이러한 1세대 및 1.5세대, 2세대 프로브 유닛은 그 블록 제조방법에 있어서 모두 수작업과 MEMS 공정을 통해 수행하는 점에서, 수작업과 MEMS 전공정의 낮은 수율이 생산성을 저하시키고 수명이 짧은 것이 단점이다.
그림 3 은 1.5세대인 Blade 타입의 전공정을 간략하게 나타낸 것이다.
슬릿의 핵심공정인 Deep-RIE 장비에 의한 Si Wafer의 깊은 식각 공정을 (a)에 나타내었으며, (b)는 Blade를 도금공정에 의해 제작된 결과로 1단과 3단 Needle로 나누어 제작한 것을 SEM 사진으로 나타내었다.
이들의 두 부품을 결합하는 조립공정으로 Blade타입 프로브 블록이 제작된다. 조립공정도 수작업으로 모두 진행되므로 각종 지그 및 현미경 Insert 작업 및 드라이버 IC 와 웨이퍼의 결합 등 조립공정에서 수율도 낮아질 수밖에 없는 공정구조이다.
최근 LCD 패널의 초고해상도화 및 대형화로 추세로 인해 초미세 피치의 프로브 유닛이 필요하게 되었으며, MEMS 타입 프로브 유닛을 대체할 수 있는 새로운 형태의 프로브 유닛을 선보이게 되었다.
제3세대로 불리는 필름타입 프로브 유닛은 초미세피치의 제조가 가능하며, 패널의 초고해상도 및 대형화되는 추세이므로 Full HD, Ultra HD TV, Flexible 디스플레이 등에 적용가능한 프로브 유닛이 출현하게 되었다.
필름 프로브 유닛은 유연성 Polyimide 기판을 이용하므로 Flexible Film Unit이라고도 한다. MEMS 기술을 이용하여 고해상도, 고밀도, 그리고 초미세피치에 대응이 가능한 진보된 기술융합 제품으로서 LCD, OLED 고해상도 대형 TV 패널 검사에 적합하며, 단가절감 및 공정 단순화 측면에서 매우 유리하고 유망한 부품이다.
반도체 검사장비인 Probe Card에도 적용할 수 있어 그 용도가 매우 다양하며, 초고집적도의 반도체 웨이퍼의 검사에 매우 유용하다.
본 프로브 유닛의 기술은 여러 종류의 Block으로 제작가능하며, COF 타입, COG 타입, Shorting Bar 등의 프로브 블록에 적용할 수가 있다.
그림 4 는 필름 프로브 블록의 범프 팁 필름을 제조하는 전공정을 나타내었다. 본 저자가 기업과 공동으로 과제를 수행하면서 개발된 필름 프로브 유닛 제작 핵심기술을 다음에 요약하였다.
Si 건식 식각 기술
미세피치의 LCD TFT에 적합한 Contactor를 제작하기 위해서는 Bump Tip의 초미세피치 패턴공정 및 내구성 있는 Tip의 제작이 필수적이다.
기존의 Blade 타입 또는 MEMS 타입 프로브 유닛은 수작업으로 인해 약 35㎛ 이상의 피치에서 안정적인 프로브 유닛이 제작 가능하였다.
그러나 MEMS 공정기술과 유연성 필름 공정기술 개발로 Si Wafer에 TFT 금속 패드에 일치하는 초미세 패턴이 가능하게 되었다.
물론 Blade 타입에서도 본 Si 에칭(Etching) 기술을 이용하는 것은 유사하다.
그러나 깊이방향으로 약 200∼300㎛의 깊이까지 식각하지 않고, Bump의 높이만큼 식각하게 되므로 공정시간이 매우 짧을 뿐만 아니라 공정수율이 증가하여 생산성이 높아지는 장점도 있다.
이는 Si Bulk Etching 방법으로 SF6와 C4F8 가스를 이용하여 식각과 Passivation 공정을 반복하며 수직으로 협소한 깊이 방향으로 식각하는 Bosch Process 방법이다( 그림 3 (a) 참조).
현재 폭이 20㎛ 이하, 프로파일 각도 90±1도의 수직식각이 개발되었으며, 깊이는 다양하게 식각이 가능하다. Half 식각 또는 관통식각 방법도 또한 개발되었다.
관통의 경우 전면부 포토공정으로 마스킹하고 에칭 후 이면 포토공정과 에칭으로 관통 에칭한 후 절연막을 증착하면 공정이 완료된다. 관통의 경우 처음부터 깊이방향으로 약 400㎛ 식각도 가능하다.
Bump Tip 형성 기술
Bump Tip은 Si Wafer에 미세패턴의 범프 팁을 포토리소그래피 공정으로 형성하고 Si Deep Etcher로 식각한 후 Ti/Cu 층의 Seed Metal을 증착하여 Ni-Co 재료로 도금하는 공정을 따른다.
타사에서는 Ni-Co 도금만을 이용하지만 본 개발에서는 Ni-Co에 Cu를 연속적으로 도금하여 접촉저항을 현저히 감소시키는 공정을 개발하였다.
Bump Tip이 접촉자이므로 도금층에 의해 접촉자의 저항이 결정되므로 본 공정은 OLED 패널 검사 및 보상용으로 매우 중요하다.
도금이 완성된 후 PR을 제거하고 필름본딩 후속공정을 수행하게 된다.
Wafer와 Film 본딩 기술
Film Unit은 8인치 Si Wafer에 Bump Tip 형상을 Deep Etching 공정으로 형성하고, 이를 폴리이미드 필름(Polyimide Film)에 전사시키는 방법을 개발하였다.
폴리이미드 필름은 가열온도에 따라 수축 팽창의 성질이 변화하므로 신중한 선택이 필요하며, 열수축률이 400℃에서 2시간 압착한 경우 T社의 Polyimide는 약 0.09% 수축한 것으로 나타났다.
또한 본 폴리이미드 필름이 Si Wafer와 열팽창계수의 차이가 가장 작게 나타났다.
필름 본딩 기술은 진공하에서 2.0 Bar의 압력으로 160~200℃ 온도로 접합하였다. 이 때 본딩시간은 80분에서 100분 정도의 시간이 소요된다.
이러한 본딩시간은 공정시간 단축을 위해 시간단축 또는 공정이 개선되어야 한다. 폴리이미드 필름과 Si Wafer 사이에 에폭시를 도포하는 공정도 개발하였다.
범프 팁의 강도에 영향을 미치는 요소이므로 범프 팁과 필름이 강하게 접착되어야 내구성 있는 프로브 팁이 되기 때문이다.
필름 본딩 후 범프 팁과 접착된 후 필름의 고유특성으로 인해 필름의 수축이 발생하게 된다.
이 때 필름 수축률은 Tip의 접촉정확도에 영향을 미치므로, 수축률이 얼마나 되는지 정확히 조사할 필요가 있다.
수축률이 일정하면 마스크 설계를 이 데이터에 맞춰 보상하면 되므로 표준편차가 작은 공정이 더욱 중요한 요소이다.
따라서 표준편차를 기존의 3㎛에서 1.5㎛로 감소시키는 공정을 개발하였다.
Si Thining 기술
필름과 본딩된 Si Wafer를 범프만 남기고 제거하는 공정기술을 개발하였다. 먼저 본딩된 웨이퍼를 Grinding 및 Polishing 공정에 의해 70~100㎛ 두께로 얇게 가공한다.
나머지 층을 제거하기 위해 Si Deep Etcher를 이용하여 건식 식각한 후 산화막을 HF 용액으로 제거하였다.
최종적으로 필름 Block의 크기로 칩을 분리하기 위해서 Dicing 공정으로 프로브 필름을 마무리하게 되면 공정이 완료된다.
이러한 공정기술을 이용하여 최종 완성된 범프 필름을 Block으로 조립하는 공정을 함으로써 필름 프로브 유닛이 완성된다.
그림 5에 필름 프로브 Block의 조립순서 및 완성품의 사진을 나타내었다.
결론적으로 OLED 및 LCD 패널의 점등검사를 위한 프로브 유닛을 개발하였으며 앞으로는 프로브 카드 및 마이크로 부품의 패키징 공정에 적용하여 그 응용분야를 넓혀갈 예정이다.
이러한 기술은 디스플레이 강국인 우리나라가 선진외국보다 더 앞선 기술로서 기업비밀과 영업비밀을 잘 유지하고 끊임없는 연구개발을 통해 기술강국으로서 한걸음 더 나아갈 수 있기를 기대한다.
또한 개발된 기술을 보유하고 있는 학교 또는 연구소가 기업에 기술이전을 하여 R&D 재창조의 순환구조로 이어진다면 기업은 제품의 사업화로 살아날 것이며, 국가는 수입대체 및 고용창출로 창조경제를 실현해 나갈 수 있을 것이다.
우리나라가 본 기술과 같은 핵심기술을 개발하고 나아가 중소·대기업이 상생협력 및 관련 첨단기술을 개발한다면 소재부품 및 시스템의 국가기술경쟁력 강화에 크게 도움이 될 것으로 기대된다.