엔비디아 A100에 탑재된 HBM반도체 후공정 과정과 관련주에 대해 알아보겠습니다.

최근 오픈 AI에서 개발한 챗GPT가 화제입니다. 이로 인해 인공지능 기술이 부각이 되고 있는데, 이러한 인공지능 기술에 없어서는 안 되는 것이 바로 인공지능에 최적화된 그래픽처리장치(GPU)입니다. '엔비디아 A100'이 바로 인공 지는 에 최적화된 그래픽처리장치입니다.

 

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이로 인해 엔비디아의 주가가 지난해 10월 주가보다 두 배 이상 올랐으며, 아직도 상승 중입니다. 그런데 '엔비디아 A100'에 탑재되는 HBM(High Bandwidth Memory)라는 필수 반도체를 SK하이닉스에서 공급하고 있습니다. 그리고 HBM의 공정 과정 중에 필요한 장비와 소재를 공급하는 여러 업체들이 있습니다. 

 

그래서 이번 포스팅에서는 HBM 후공정과정과 이 과정 속에서 필요한 장비와 소재를 공급하는 업체들에 관해 알아보겠습니다.

HBM 후공정 과정

 

HBM 후공정 과정은 백그라인딩, 웨이퍼 다이싱, 다이 어태치, 인터커넥션, 몰딩, 마킹, 마운팅, 싱귤레이션으로 이루어집니다.

 

백그라인딩 (관련업체 - 장비 :Disco /소재 : Disco)

 

백그라인딩이란? 백그라인딩은 웨이퍼가 최종 두께로 얇아진 후 웨이퍼 뒷면에서 실리콘 기판을 제거하는 공정입니다. 웨이퍼의 두께를 일정 두께로 줄여 유연성을 높이고 균열 위험을 줄입니다. 백그라인딩 공정은 최종 제품의 품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다. 잘못 실행된 백그라인딩 프로세스는 웨이퍼 균열, 박리 및 웨이퍼를 쓸모없게 만들 수 있는 기타 결함으로 이어질 수 있습니다.

 

백그라인딩이 중요한 이유는 무엇입니까? 백그라인딩 공정은 최종 제품의 성능과 품질에 영향을 미치는 웨이퍼 박막화의 마지막 단계이기 때문에 중요합니다. 웨이퍼의 두께는 웨이퍼의 유연성과 후속 공정 단계에서 균열의 위험을 결정하기 때문에 매우 중요합니다. 웨이퍼를 최종 두께로 얇게 하면 유연성이 증가하고 균열 위험이 줄어듭니다. 백그라인딩 공정은 또한 최종 제품의 품질에 중요한 웨이퍼 두께의 균일성을 향상합니다.

 

백그라인딩 프로세스와 관련된 단계 백그라인딩 프로세스에는 프로세스의 성공에 중요한 여러 단계가 포함됩니다. 다음은 백그라인딩 프로세스와 관련된 단계입니다.

1. 웨이퍼 장착: 이 단계에서는 백그라인딩 공정 중에 웨이퍼를 박막 프레임이나 테이프에 장착하여 제자리에 고정합니다. 프레임 또는 테이프는 공정 중에 웨이퍼를 안전하게 고정할 수 있을 만큼 충분히 강해야 하지만 연삭 중에 웨이퍼가 휘어질 수 있을 만큼 충분히 유연해야 합니다.
2. 연삭: 연삭 단계는 고정밀 연삭기로 웨이퍼 뒷면을 연삭 하는 단계입니다. 이 기계는 다이아몬드 연마재로 덮인 연삭 휠을 사용하여 웨이퍼 뒷면에서 실리콘 기판을 제거합니다. 웨이퍼가 원하는 두께로 균일하게 얇아지도록 연삭 공정을 신중하게 제어해야 합니다.
3. 청소: 연마 공정이 완료된 후 웨이퍼 표면에 남아 있을 수 있는 잔해물이나 잔류물을 제거하기 위해 웨이퍼를 청소합니다. 표면에 남아 있는 잔류물이 최종 제품에 결함을 일으킬 수 있기 때문에 세척 공정이 중요합니다.
4. 에칭: 경우에 따라 연마 공정 중에 발생할 수 있는 손상을 제거하기 위해 에칭 단계가 필요할 수 있습니다. 식각 공정에는 화학 용액을 사용하여 웨이퍼 뒷면에서 얇은 재료 층을 제거하는 작업이 포함됩니다. 이 프로세스는 이전 처리 단계에서 남은 손상을 제거하는 데에도 사용할 수 있습니다.
5. 검사: 백그라인딩 공정이 완료된 후 웨이퍼가 필요한 두께 및 품질 표준을 충족하는지 검사합니다. 공정 중에 발생할 수 있는 균열, 박리 또는 기타 결함이 있는지 웨이퍼를 검사합니다.

웨이퍼 절단 (Wafer Dicing)(관련업체 - 장비 :이오테크닉스,한미반도체 /소재 : 이오테크닉스)

 

웨이퍼 다이싱은 웨이퍼를 개별 칩으로 절단하는 반도체 제조의 중요한 공정입니다. 이 프로세스는 일반적으로 FEOL(front-end-of-line) 프로세스 후와 BEOL(back-end-of-line) 프로세스 전에 수행됩니다.

1. 기판 준비 웨이퍼를 절단하기 전에 기판을 적절하게 준비하는 것이 중요합니다. 웨이퍼는 테이프에 장착된 다음 다이싱 테이프 프레임에 부착됩니다. 테이프는 다이싱 공정 중에 웨이퍼를 지지하고 다이싱 된 칩을 제거하는 데에도 도움이 됩니다.
2. 정렬 및 검사 기판이 준비되면 웨이퍼를 정렬하고 검사합니다. 다이싱 블레이드가 올바른 위치에서 웨이퍼를 절단하도록 정렬이 수행됩니다. 크랙, 파티클, 오염 등의 결함을 확인하기 위해 검사를 실시합니다.
3. 다이싱 공정 다이싱 공정은 웨이퍼를 개별 칩으로 절단하는 과정입니다. 다이싱에는 블레이드 다이싱과 레이저 다이싱의 두 가지 주요 방법이 있습니다.
4. 청소 및 검사 다이싱 공정 후 칩을 청소하여 칩에 쌓일 수 있는 부스러기나 입자를 제거합니다. 그런 다음 칩에 결함이 없는지 검사합니다.
5. 실장 및 패키징 다이싱된 칩은 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 리드 프레임과 같은 기판에 실장 됩니다. 그런 다음 칩을 패키지에 캡슐화하여 습기 및 온도와 같은 외부 요소로부터 칩을 보호합니다.

다이 어태치 (Die Attach)(관련업체 - 장비 :한미반도체 /소재 : 엠케이전자)

 

다이 어태치란? 다이 부착은 반도체 다이를 패키지 또는 기판에 부착하는 공정입니다. 즉, 일반적으로 접착 재료를 사용하여 다이를 표면에 접착하는 과정입니다. 다이 어태치 공정은 웨이퍼를 다이싱 한 후 개별 다이를 분리하는 공정이다. 다이 부착 공정은 완성된 장치의 전기 및 열 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에 반도체 패키징에서 중요한 단계입니다.

1. 픽 앤 플레이스: 다이 부착 공정의 첫 번째 단계는 픽 앤 플레이스 기계를 사용하여 웨이퍼에서 개별 다이를 픽업하는 것입니다. 픽 앤 플레이스 기계는 진공 팁을 사용하여 다이를 집어 기판이나 패키지에 놓습니다.
2. 접착제 분배: 다이가 기판에 배치되면 소량의 접착제가 다이에 분배됩니다. 접착제는 일반적으로 디스펜싱 기계를 사용하여 디스펜싱 되는 에폭시 재료입니다. 접착제의 양이 너무 적으면 전기 및 열 성능이 저하될 수 있고 접착제가 너무 많으면 다이가 손상될 수 있으므로 접착제의 양이 중요합니다.
3. 본딩: 접착제가 분배된 후 본딩 머신을 사용하여 다이를 기판에 본딩 합니다. 본딩 머신은 다이와 기판에 압력과 열을 가하여 다이가 기판에 단단히 접착되도록 합니다. 접착 과정에서 가해지는 압력과 열의 양은 접착 강도에 직접적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다.
4. 경화: 다이가 기판에 접착되면 어셈블리가 오븐에서 경화되어 접착제가 완전히 경화됩니다. 경화 공정은 접착제가 후속 공정 단계에서 다이를 제자리에 고정할 수 있는 충분한 강도를 갖도록 하기 때문에 중요합니다.
5. 검사: 경화 공정이 완료된 후 어셈블리를 검사하여 다이가 적절하게 정렬되고 기판에 결합되었는지 확인합니다. 조립이 다음 처리 단계로 진행되기 전에 모든 결함이나 오정렬이 식별되고 수정됩니다.

인터커넥션 (관련업체 - 장비 :프로텍 /소재 : 해성디에스)

 

인터커넥션 과정은 트랜지스터, 커패시터 및 저항과 같은 집적 회로의 다양한 구성 요소를 연결하는 전기 연결입니다. 원하는 기능을 제공하는 와이어, 전도선 또는 금속층 역할을 합니다. 인터커넥트는 실리콘 기판에 패턴화 되어 있으며 여러 레이어의 인터커넥트가 서로 위에 구축되어 복잡한 연결 네트워크를 생성합니다. 이때, HBM반도체는 TSV(Through-Silicon Vias) 방식을 사용해서 수직 연결합니다.

TSV(Through-Silicon Vias)란 TSV는 IC의 프런트 엔드와 백 엔드 구성 요소를 연결하기 위해 실리콘 기판을 통과하는 수직 상호 연결입니다. 이들은 일반적으로 3D 스택 IC에 사용되며 레이어 간에 고속 및 저전력 상호 연결을 제공합니다.

인터커넥트 제작 과정

인터커넥트 제작 과정에는 다음을 포함한 여러 단계가 포함됩니다.

1. 유전층 증착: 첫 번째 단계는 실리콘 기판에 유전층을 증착하는 것입니다. 유전체 층은 상호 연결 사이에서 절연체 역할을 하며 전기 단락을 방지합니다. 일반적으로 사용되는 유전체 재료에는 이산화규소, 질화규소 및 저유전율 유전체가 포함됩니다.
2. 패터닝: 두 번째 단계는 포토리소그래피를 사용하여 유전층을 패터닝하는 것입니다. 포토리소그래피 공정은 웨이퍼에 포토레지스트를 도포하고 마스크를 통해 자외선을 조사한 후 현상하여 유전체층에 패턴을 전사하는 공정이다.
3. 에칭: 세 번째 단계는 유전체 층을 에칭하여 금속으로 채워질 트렌치 또는 비아를 생성하는 것입니다. 에칭 공정은 사용된 유전체 재료의 유형에 따라 습식 에칭 또는 건식 에칭일 수 있습니다.
4. 금속 증착: 네 번째 단계는 물리 기상 증착(PVD) 또는 화학 기상 증착(CVD)과 같은 다양한 증착 기술을 사용하여 금속을 트렌치 또는 비아에 증착하는 것입니다. 그런 다음 CMP(화학 기계적 연마)를 사용하여 금속을 연마하여 과도한 금속을 제거하고 표면을 평탄화합니다.
5. 금속 패터닝 및 에칭: 마지막 단계는 금속층을 패턴화하고 에칭하여 원하는 상호 연결을 생성하는 것입니다. 금속층의 패터닝 및 에칭은 다마신 공정을 사용하여 수행되며, 희생층을 증착하고 패턴화한 다음 금속층을 에칭하여 인터커넥트를 생성합니다.

 

다음으로, 웨이퍼는 증착이라는 공정을 거치게 되는데, 여기서 일반적으로 구리와 같은 얇은 금속층이 스퍼터링이나 전기 도금과 같은 기술을 사용하여 표면 위에 증착됩니다. 증착된 금속은 집적 회로의 다른 구성 요소를 연결하는 상호 연결 또는 와이어를 형성합니다.

증착 공정 후 웨이퍼는 빛에 노출되면 경화되는 감광성 물질인 포토레지스트 물질 층으로 코팅됩니다. 그런 다음 마스크 또는 패턴을 사용하여 포토레지스트 영역을 빛에 선택적으로 노출시켜 노출된 영역과 노출되지 않은 영역의 패턴을 남깁니다. 노출된 포토레지스트는 에칭 되어 웨이퍼 표면에 패턴화된 금속 인터커넥트 층을 남깁니다.

다음 단계에서는 이산화규소와 같은 절연 재료 층이 금속 상호 연결 위에 증착됩니다. 이 절연층은 CMP(Chemical-Mechanical Polishing) 공정을 사용하여 평탄화되어 절연체 표면을 평평하게 하고 과도한 재료를 제거합니다.

 

마지막으로, 비아 또는 구멍이 절연층을 통해 에칭되어 밑에 있는 금속 상호 연결을 노출시킵니다. 이러한 비아는 구리와 같은 전도성 재료로 채워져 집적 회로의 서로 다른 층 사이에 수직 연결을 형성합니다.

몰딩 (관련업체 - 소재 : 대덕전자,심텍,비에이치)

 

몰딩이란? 패키지 내부에 집적 회로를 캡슐화하는 프로세스입니다. 이 패키지는 IC에 대한 보호 커버 역할을 하며 환경 손상으로부터 보호하여 적절한 기능을 보장합니다. 몰딩 공정은 IC를 리드 프레임에 놓고 그 주위에 몰드를 놓고 몰드에 에폭시 또는 플라스틱 수지를 주입하는 과정을 포함합니다. 수지가 경화되면 몰드를 제거하고 IC를 최종 조립할 준비가 됩니다.

마킹 (관련업체 - 장비 : 이오테크닉스)

마킹이란? 반도체 다이를 식별하기 위해 영숫자 문자, 로고 또는 기타 기호로 표시하는 프로세스입니다. 마킹은 일반적으로 레이저 또는 기계 도구를 사용하여 다이의 상단 또는 하단에서 수행됩니다. 마킹의 목적은 패키징 공정 중에 다이를 식별하고 추적성과 품질 관리를 돕는 것입니다.

 

마킹의 중요성 마킹은 반도체 제조의 백엔드 프로세스에서 중요한 역할을 합니다. 다이를 기판에 부착하고 외부 리드에 연결하고 보호 패키지에 캡슐화하는 패키징 프로세스 중에 다이를 식별하는 데 도움이 됩니다. 마킹은 또한 제조업체가 다이의 성능과 신뢰성을 추적할 수 있도록 하여 완제품의 품질을 보장하는 데 도움이 됩니다.

마운팅 (관련업체 - 장비 :PSK홀딩스,에스티아이,레이저쎌 /소재 : 덕산하이메탈,엠케이전자)

마운팅은 다이를 패키지 또는 기판에 전기적으로 연결하는 과정입니다. 다이는 먼저 기판에 배치된 다음 얇은 와이어 또는 전도성 범프를 사용하여 전기 연결이 이루어집니다. 기판은 세라믹, 플라스틱 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있습니다.

실장 공정은 반도체 장치의 전반적인 성능과 신뢰성에 매우 중요합니다. 장착 과정에서 결함이나 오류가 발생하면 장치의 고장이나 오작동이 발생할 수 있습니다. 따라서 필요한 사양과 표준을 충족하는지 확인하기 위해 장착 프로세스를 신중하게 제어하고 모니터링합니다.

 

장착 방법의 종류

기판 또는 패키지에 다이를 장착하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 방법은 와이어 본딩, 플립 칩 본딩 및 테이프 자동 본딩(TAB)입니다.

• 와이어 본딩
  • 와이어 본딩은 다이 마운팅에 가장 널리 사용되는 방법입니다. 이 공정에서 얇은 와이어(일반적으로 금 또는 알루미늄으로 만들어짐)가 다이의 본드 패드와 기판의 해당 패드에 부착됩니다. 그런 다음 와이어는 열과 압력을 사용하여 패드에 열음파로 접착되어 강력하고 안정적인 전기 연결을 생성합니다.
  • 와이어 본딩은 성숙한 기술이며 저렴한 비용, 높은 수율, 광범위한 기판 및 다이 크기와의 호환성과 같은 몇 가지 이점을 제공합니다. 그러나 제한된 전류 용량, 열 순환에 대한 민감도, 와이어 본딩 결함에 대한 취약성과 같은 몇 가지 제한 사항도 있습니다.
• 플립 칩 본딩
  • 플립칩 본딩은 다이 실장을 위한 보다 진보된 방법입니다. 이 공정에서 다이를 뒤집어 기판에 뒤집어 놓고 전도성 범프(납땜 또는 구리)를 사용하여 전기 연결을 만듭니다. 범프는 일반적으로 그리드 패턴으로 배열되며 범프의 간격과 크기는 적절한 정렬과 전기적 접촉을 보장하기 위해 신중하게 제어됩니다.
  • 플립칩 본딩은 와이어 본딩에 비해 더 높은 전류 용량, 더 낮은 기생 커패시턴스 및 더 나은 열 성능과 같은 몇 가지 이점을 제공합니다. 마이크로 프로세서 및 메모리 칩과 같은 고밀도 및 고속 애플리케이션에도 적합합니다. 그러나 와이어 본딩보다 더 복잡하고 비용이 많이 들며 범프 크기와 피치를 더 정밀하게 제어해야 합니다.
• 테이프 자동 결합(TAB)
  • 테이프 자동 본딩(TAB)은 전기적 연결을 포함하고 다이와 기판의 본드 패드에 본딩되는 유연한 회로 테이프를 사용하여 다이를 장착하는 방법입니다. 테이프는 일반적으로 폴리이미드 또는 폴리에스테르로 만들어지며 전기 연결은 얇은 전도성 트레이스 또는 범프를 사용하여 이루어집니다.
  • TAB는 와이어 본딩 및 플립 칩 본딩에 비해 고밀도, 고속 및 저배형과 같은 몇 가지 이점을 제공합니다. 또한 대형 다이 크기 및 얇은 패키지에도 적합합니다. 그러나 특수 장비와 공정이 필요하고 와이어 본딩이나 플립 칩 본딩보다 수율이 낮을 수 있습니다.

싱귤레이션 (관련업체 - 장비 :한미반도체 /소재 : 한미반도체)

싱귤레이션은 웨이퍼를 개별 다이 또는 칩으로 분리하기 때문에 반도체 제조에서 중요한 단계입니다. HBM반도체 제조에서 싱귤레이션 공정은 칩의 최종 수율과 품질을 결정하기 매우 중요합니다. 부적절한 싱귤레이션은 칩이 손상되거나 파손되어 수율이 떨어지고 성능이 저하될 수 있습니다.