특허기술 테마분석<3>

웨이퍼 다이싱(Wafer Dicing)장비 특허동향 및 기술의 발전




특허기술정보를 어떻게 활용할 것인가에 따라 기업의 기술개발과 경영에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 기술개발을 위한 기초자료수집 및 개발영역선정, 공백기술파악 등의 기술정보 분야를 비롯하여 경쟁사의 제품개발동향, 기술시장의 참여상태 등 경영정보 분야에 용이하게 활용할 수 있다.
또한, 권리침해상태, 취득권리범위확인, 특허취득 가능 여부를 살펴 볼 수 있다. 이러한 특허기술정보의 활용은 선행특허정보를 조사하여 정확하게 분석하여야 하며 또한, 분석된 정보를 기술개발과 경영적 부분에 연결함으로써 활용가치를 극대화시킬 수 있어 기업의 지식정보화에 초석이 될 것이다.

1. 웨이퍼 다이싱(Wafer Dicing)장비 기술의 개요
다이싱 공정은 쏘잉(sawing)이라고도 하며 반도체 생산 공정 가운데 웨이퍼 제조 공정과 패키징 공정 사이에 위치하여 웨이퍼를 개별칩단위로 분리하는 공정이다. 가장 일반적인 다이싱의 개념은 웨이퍼를 다이아몬드 블레이드를 사용하여 절단하는 것이다.
여기서는 블레이드와 관련되어 다이싱 공정을 행하는 제반 장치들 즉, 다이싱 블레이드, 절삭수 공급장치, 웨이퍼 지지 장치, 웨이퍼 접착 테이프, MANAGEMENT 시스템(검사, 검색, 정렬등)과 더불어 다이아몬드 칼이나 레이저로 half-cut(웨이퍼 전체 두께의 일부만 절단하는 것)한 웨이퍼를 완전히 절단하는 브레이킹 장치, 그리고 기타 레이저나 고압수를 이용한 절단 장치 등을 모두 포함하여 웨이퍼 다이싱 장비라 하였다.
웨이퍼 다이싱 장비는 일본의 시장 점유율이 우세하다. 일본 디스코사의 일본 시장 점유율이 80%이며 세계 시장 점유율도 80%가 넘는다. 따라서 이 분야에 있어서 특허를 중심으로 한 연구 개발도 일본이 한국과 미국을 월등히 앞선다. 한국의 경우 반도체 소자 시장이 활성화 되어 있음에도 불구하고 이와 같은 반도체 제조 공정상의 필수 장비의 개발이 소홀하여 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다. 그러나 최근 다이싱 장비 혹은 싱귤레이션 장비 (웨이퍼 레벨 패키지를 절단하는 장비)와 관련하여 국내 대기업 및 중소기업들이 국산화에 많은 노력을 기울이고 있다.

2. 최근 다이싱에 대한 요구와 기술 경향
반도체 칩이 고집적화 되어감에 따라 칩간의 절단 영역인 다이싱 라인(혹은 street)도 점점 미세해지게 되고, 이에 따라 보다 정밀한 다이싱 기술과 이를 행할 수 있는 장치의 개발이 요구된다. 반도체 웨이퍼의 직경은 70년대말 4inch(100m)에서 5inch, 6inch, 8inch로 점점 증가하였고 현재는 8inch에서 12inch로 대체되어 가고 있는 시점이다.
따라서스마트 카드 등에 사용되는 초박형 칩이나 12inch(300m) 대구경 웨이퍼에 대응하는 웨이퍼 다이싱 장비의 필요성이 높아지고 있으며, CSP(Chio Size Package), BGA(Ball Grid Array) 등 웨이퍼 레벨 패키지의 개발과 함께 실리콘의 절단 뿐만 아니라 몰딩 수지와 에폭시 수지 등으 ㄹ동시에 절단할 수 있는 기술도 요구되고 있다.
초박형 웨이퍼의 경우, 이면 chipping 억제가 최대의 과제인데 그것은 칩이 얇아지면 chipping의 허용범위도 작아지기 때문이다. 그 문제를 해결하기 위해 Daul Dicer에 의한 절단을 행하고 있다. Daul Dicer란 스핀들 2개(블레이드 2개)를 장착한 장치로서 스텝 컷(step cut), 베벨 컷(bevel cut), 듀얼 컷(dual cut)이라는 가공이 가능하다.



위- <그림1.스텝컷>
아래- <그림2.베벨컷>



Step Cut은 제1스핀들에는 두꺼운 블레이드를 장착하고 제2스핀들에는 얇은 블레이드를 장착하여, 두꺼운 블레이드로 절단부 상부의 보호막 등을 먼저 절단하고 다음에 그 부분을 얇은 블레이드로 full-cut하는 것이다. 비슷하게 Bevel Cut도 두 단계로 나누어서 절단하는데 다만 제1블레이드의 모양을 V-자 모양으로 하여 1단계 절단시 칩의 모서리를 chamfering(각을 죽임, 모따기)함으로써 chipping을 억제한다. Dual Cut은 2개의 스핀들에 같은 종류의 블레이드를 장착하여 2개의 다이싱 라인을 동시에 절단함으로써 1개만을 사용했을 때에 비해 처리량을 높일 수 있다. 얇은 웨이퍼는 Step Cut이나 Bevel Cut방식으로 chipping을 감소 시킬 수 있다. 따라서 이 분야의 연구 개발이 많이 이루어지고 있다.
웨이퍼의 두께가 얇아지는 것과 함께 웨이퍼의 사이즈도 점차 12inch (300m)로 가는 양상이므로 웨이퍼의 대구경화에 대응하는 다이싱 장치의 개발도 중요해지고 있다. 300mm 웨이퍼는 얇으면서도 사이즈가 크기 때무에 웨이퍼에 손상을 주지 않으면서 handling하는 것이 어려운데, 300mm 웨이퍼 다이싱 장치에서는 이러한 문제를 해결하면서 동시에 200mm 웨이퍼와 동일한 가공정도를 유지하는 것이 중요하다. 일본의 디스코(DISCO)사는 98년 300mm 웨이퍼에 대응하는 웨이퍼 다이싱 장비의 개발을 완료하여 판매를 시작하였다.
한편, CSP/BGA 절단용 다이서와 반송 장치를 접속하여 패키지 절단에서 tray에 담는 것까지를 전자동으로 할 수 있는 싱귤레이션 시스템(Singulation System)도 이미 개발되었다. 국내에서도 한국 도와, 알파정공, 훼스텍 등 장비 업체에서 정밀 국산 싱귤레이션 장비 출시를 본격화하고 있는데 국내 주요 소자업체들의 마이크로 BGA용 반도체 조립라인 구축과 관련하여 수요가 증가하고 있다. 이들 국산 장비는 저비용 고효율로 국산 대체 가능성이 높아 연간 1백억원 이상의 수입대체 효과를 기대할 수 있다.

3. 출원동향
웨이퍼 다이싱 장비와 관련하여 본 특허맵에서 다루고 있는 특허 및 실용 건수는 총 920건으로서 , 한국은 특허 59건, 실용 23건으로 합계 82건, 미국은 특허 88건, 일본은 특허 653건, 실용 97건으로 합계 750건이 각각 출원되었다. (단, 미국의 경우는 등록 기준)


<그림3. 각국의 연도별 출원 동향>


3국의 출원 동향을 살펴보면 우선 일본의 출원 건수가 압도적으로 많은 것을 알 수 있다. 일본의 경우 90년대 초반까지는 특별한 감소세 없이 출원 건수가 꾸준히 증가하는 추세를 보인다. 이는 반도체 소자의 발전에 따라 다이싱 장비에 있어서도 지속적으로 정말 절삭능력 및 작업 능률 향상이 요구되고 이를 해결하기 위한 연구가 계속되어 왔다고 볼 수 있다. 그런데 일본의 출원 건수는 93년을 정점으로 감소하고 있다.
현재 세계 시장의 대부분을 점유하고 있는 일본의 경우 70년대 초반부터 다이싱 장비의 여러 구성 요소들에 관해 세밀하고 다양한 특허가 출원되어 왔으므로 93년도 경에 이르러서는 기본 기술에 관해서는 포화상태에 이룬 것으로 추정된다.
반면, 한국의 경우 일본보다 10여년 뒤진 80년대 초반부터 다이싱 기술에 대한 특허가 출원되기 시작하여 꾸준한 증가추세에 있는 것을 알 수 있다.반도체 산업의 발전과 함께 증가한다고 볼 수 있으며, 최근의 다이싱 장비 국산화 노력과도 맞물린다 하겠다.
미국의 경우는 등록 건수이기 때문에 절대적인 비교가 어렵다는 것을 감안하더라도 일본과 비슷한 시기부터 출원이 되고 있긴 하지만 절대 건수에 있어서 일본에 뒤지며 현재까지 미미한 증가 추세를 보이고 있는 실정이다.

4. 한국의 출원인 동향
다음 그림4는 한국내 출원인별 출원 비율을 백분율로 표시한 것이다.



<그림4. 한국의 출원인별 출원율(%)>


2건 이상 출원한 11개 출원인은 전체 출원에 대한 각각의 출원율을 표기하고 나머지 출원인은 기타로 통합하였다. 이것을 보면 전체 26개 출원인 중에서 상기 11개 출원인의 출원율이 전체의 82%에 이르며, 이중에서도 특히 국내 대기업인 삼성, 현대, LG, 아남의 출원율이 합계 55%를 넘고 있다. 이는 년간 출원인 수가 8개 안쪽이라는 앞 장에서의 결과와 함께 국내 다이싱 장비 관련 기술 특허가 대기업에 편중되어 있다는 것을 보여준다. 그 외 2-4%를 차지하는 출원인들은 일본내 다출원인과 동일한 경우가 대부분이다.
상기 다출원인의 출원건수는 삼성이 15건, 현대가 13건, LG가 9건, 아남이 8건, LINTEC이 6건이며 그외 나머지 다출원인은 모두 5건 미만으로 출원했다. 개인 출원은 3건에 불과하다.
현재 국내 중소기업들이 다이싱 장비의 독자 개발에 노력하고 있지만 아직도 특허 기술은 대기업이 많이 보유하고 있다고 볼 수 있다.

5. 일본의 다출원인 동향 분석


<그림5. 일본의 출원인별 출원율(%)>

총 69개의 출원인 중에서 10건 이상 출원한 15개 다출원인의 출원율을 표기하고 나머지 54개는 기타로 통합하였다. 일본도 한국과 마찬가지로 15개의 다출원인이 전체 출원의 83%를 차지하고 있고, 특히 상위 5개 출원인의 출원율이 합계 55%에 이르고 있어 주요 기업이 다이싱 장비에 관한 기술과 권리를 많이 보유하고 있다고 할 수 있다.
하지만 한국과 비교하여 전체 출원건과 출원인의 수가 압도적 우위에 있으므로 다이싱 장비 관련 기술에 대한 관심과 연구는 몇 개사에 집중되지 않고 폭넓게 이루어지고 있다고 보여진다.

6. 절삭 블레이드 장치의 기술 발전동향
1)블레이드의 모양
블레이드의 모양과 관련하여서는 주로 블레이드의 에지 부분의 형태의 변화가 주목할 만한데, 주로 절삭시의 저항을 줄이고 칩핑을 억제할 수 있도록 다양한 모양의 변화가 시도되어 왔다.
종래의 전주 블레이드는 니켈 모재에 다이아몬드 미립자를 배설하는 구조였는데, 이는 갈륨 비소나 갈륨 인 등의 화합물 반도체를 절삭할 경우 니켈이 딱딱하기 때문에 칩핑이 현저하게 나타나는 문제가 발생하였다. 그래서 니켈보다 연질의 금속인 구리 등을 전주 블레이드의 모재로 사용하게 되었는데, 이 경우는 또 다른 문제가 발생하였다.
즉, 연질 금속으로는 두께가 50μm이하의 얇은 블레이드를 비뚤어짐 없이 제작하는 게 불가능하였다. 따라서 화합물 반도체의 경우 칩핑을 감소시키면서도 두께 50μm이하의 얇은 블레이드를 비뚤어짐 없이 제작하기 위해 허브 타입의 구리 전주 블레이드를 제조하기 시작하였다.
한편, 블레이드는 허브 타입 블레이드와 허브리스(hubless) 타입의 블레이드가 있고, 블레이드 장착시 블레이드 날의 두께(thickness)와 노출값(exposure : 알루미늄 휠 허브의 끝에서 날의 끝부분까지)을 적절히 조절해야 한다. 즉, 블레이드 날이 너무 많이 노출되면 블레이드를 굽게 하고 휠에 과도한 스트레스를 주므로 노출값은 주로 절단되어야 할 깊이에 약 125μm를 더한 값 정도로 선택된다.


위- <그림6. 허브 블레이드>
아래- <그림7. 허브리스 블레이드>

현재 블레이드의 두께는 15μm까지 실용화되고 있는데, 절단 street 폭의 축소화에 대응하여 칩핑을 적게 할 수 있는 블레이드의 개발과 가공기술의 확립이 날로 요구되고 있는 실정이다. 그러나 블레이드 날두께에는 제한이 있고 칩핑을 적게 하기 위해 지름을 적게 하면 절단 성능이 큰 폭으로 하락한다. 날두께 10μm의 블레이드가 검토되고 있지만 실용화면에서 검토되어질 필요가 있다.
블레이드의 모양과 관련하여 단면의 형태 외에 다음과 같은 특허(JP 57-168867, TOSHIBA)도 있었는데, 블레이드의 날부분에 칩 포켓홀로 사용되는 관통홀을 형성하여 절단 부스러기를 쉽게 제거할 수 있는 구조이다.
일반적으로 칩 포켓홀은 다이아몬드 지립과 블레이드에 극간이 형성되어 있는 것으로서, 블레이드의 날을 세워 다이싱 공정시 지속적으로 칩 포켓홀을 유지하여 절단 가루가 충분히 배출되도록 하는 것이 중요하다. 기본적인 개념이지만 이와 직접 관련된 특허는 이 이후 별로 등장하지 않는다.

2)블레이드의 재질
블레이드의 재질과 관련하여서는 주로 다이아몬드 지립의 사이즈에 관련된 것이거나 모재에 관련된 것이다. 현재 웨이퍼 절단에 가장 일반적으로 사용되고 있는 블레이드는 다이아몬드 지름으로서는 4-6μm, 날두께는 25-30μm, 돌출량 0.8μm정도이다. 다이아몬드 입자 사이즈는 기판의 종류에 따라서도 약간 다른데, 실리콘 웨이퍼의 경우는 4-6μm이지만 GaAs 웨이퍼의 경우는 2-4μm정도이다.
GaAs 웨이퍼는 부서지기 쉽고 가격이 비싸서 칩의 축적도를 높이기 위해 절단 영역이 매우 좁기 때문이다. 다이아몬드 입자가 너무 밀집해 있으면 냉각수가 그 역할을 하지 못하게 되고 너무 성기면 절단의 역할을 제대로 못하고 수명도 단축되기 때문에 이를 잘 조절하는 것도 중요하다.

7. 웨이퍼 다이싱(Wafer Dicing)장비 기술 전망
1970년대 이후 다양하고 지속적인 연구 개발을 계속해 온 일본은 현재 웨이퍼 다이싱 장비 분야에 있어서 가장 우세한 기술력을 확보하고 있으며, 해마다 지속적으로 출원인의 수가 증가함은 다수의 기업이 다이싱 장비의 개발에 참여하고 있음을 나타낸다. 이는 대기업에서 중소기업으로 기술 개발이 확대 전이되어 감을 나타내는 반증으로서 다양한 연구가 이루어질 수 있는 기반이 마련되어 있음을 알 수 있다.
미국의 경우는 자료 조사 과정에서 다이싱 관련 장비를 개발하는 기업들이 다수 있었지만 출원량은 많지 않았으며, 이것은 기초 기술보다는 응용 기술 분야에 가까운 다이싱 장비 기술의 특성상 기술 개발 관심도가 일본에 많이 뒤진다는 것을 말해 준다.


<그림8. 관통홀이 형성된 블레이드>


한국은 1990년대에 들어서야 본격적으로 개발에 참여했으며, 다이싱 장비 기술 개발 및 특허 출원이 대기업에 집중되어 있고, 기술 발전의 경향도 일본의 그것을 따라가는 양상을 보였다. 그러나 일본의 다이싱 장비 기술에 관한 특허 출원은 1993년을 정점으로 점차 감소하고 있는 반면, 한국과 미국은 증가하는 경향을 나타내어 점차 이 분야 기술개발의 필요성과 관심도가 증가하고 있음을 보여 준다. 국내의 경우 장비의 구성 요소중에서 단일 분야를 특성화하고 최근 동향에 발맞추어 집중적인 연구 개발을 한다면 정밀 가공 기술을 요하는 독자 기술 및 노하우를 확보할 수 있을 뿐 아니라 일본 기술을 능가하여 DISCO사 등이 대부분을 점유하고 있는 세계 시장에의 역수출도 가능할 것으로 기대된다.
최근 들어 웨이퍼 다이싱 장비의 수입 의존에서 벗어나기 위하여 알파 정공, 월드텍, 훼스텍, 한국 도와, (주)선양텍크, (주)한미, (주)탑 엔지니어링, (주)화인 인터내셔날 등의 업체들이 다이싱 장비 개발에 주력하고 있고, 스핀들 에어 베어링 분야에서도 예원 테크가 최신 기술의 개발에 성공하는 등 장비 및 관련 부품의 국산화가 진행되고 있는 것은 매우 고무적이다.
앞서 밝힌 대로 최근 다이싱 장비의 전체적인 개발 동향이 얇은 칩에 대응하여 칩핑을 억제할 수 있는 장비, 300mm의 대구경 웨이퍼에 대응하는 다이싱 장비, 웨이퍼 레벨 패키지를 절단하는 싱귤레이션 장비가 요구되고 있는 추세이며, 보다 높은 정밀도를 유지할 수 있는 장비의 개발과 함께 점차 장비의 자동화가 진행되고 있다. 자동화 장비는 다이싱 자체만이 아니라 다이싱을 위한 위치 결정, 다이싱 후의 세정, 건조 등을 전자동으로 실행하는 장치로서 절단이 제대로 진행되고 있는지를 살피는 검사 기능, 장비의 상태를 지속적으로 모니터하는 진단 기능, 블레이드 등의 자동 교환 기능 등이 더불어 개발되어야 한다.
또한, 가공과 관련해서는 반도체 소자의 집적도 향상에 대응하여 정밀 절삭이 가능한 블레이드의 물질 개발 및 가공 기술의 확보, 블레이드를 진동 및 마찰없이 고속 회전 시킬 수 있는 고속 스핀들의 개발 등이 요구되며, 가공 정밀도의 향상을 위한 모니터 및 제어 기능을 보유한 장비 개발도 필수적이다.
국내 중소, 벤처 기업들이 이런한 최신 기술 개발 동향을 참조하여 기술 개발에 임한다면 우수한 기술 개발과 중복 투자 방지 및 신속한 산업 현장에의 적용이 이루어질 수 있을 것으로 사료된다.
본 특허맵이 국내 대기업 및 중소기업들이 향후 다이싱 장비 기술 개발을 하는 데 있어서 기술의 동향을 이해하고 최근의 요구에 맞게 신속한 기술 개발을 하는 데 도움이 될 수 있기를 기대한다.

 

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