마이크로게이트 - 모션과 비전을 이용한 자동 측정장비

Author(s):
이제형 차장 - 마이크로게이트

Industry:
Semiconductor

Products:
LabVIEW, Machine Vision

The Challenge:
이 시스템은 웨이퍼(Wafer) 상태로 있는 소자의 전기적 특성을 평가하는 장비로써 6인치 웨이퍼를 사용할 경우 웨이퍼 1장에 15,000개의 소자가 있기 때문에 수동으로 측정하는 데는 무리가 따른다. 물론 현재는 테스트 단계이기 때문에 2,000개 정도이다.

The Solution:
이 시스템은 웨이퍼(Wafer) 상태로 있는 소자의 전기적 특성을 평가하는 장비로써 웨이퍼를 이동 시키면서 정렬을 해야 하고, 그 때 마다 측정도 해야 한다. 또한 원하는 곳으로 이동해서 특정 시료의 측정도 해야 한다. 본 장비는 이 모든 기능을 자동으로 컨트롤하는 장비라고 할 수 있다.

개발 배경 :
1. 본사에서 개발하는 소자는 특수한 소자로써 이 소자의 특성을 평가하기 위해서는 측정 장비를 새로 구성해야 했다. 외부에 의뢰를 하게 되면 비용도 많이 들고, 개발 단계에 따르는 변화에 대응하기 어렵게 된다. 이런 상황을 해결하는 방법으로 선택한 것이 직접 제작해서 상황이 변함에 따라 수정하는 것이었다. 그리고 이와 같이 여러 가지로 구성되는 시스템을 구축함에 있어서 통합된 솔루션이 필요했다.
2. 측정 단자의 크기가 150um 밖에 되지 않고, 소자의 개수도 상당히 많기 때문에 모션 제어에서 누적 오차가 발생하지 않아야 하고, 정렬을 하기 위해서는 비전을 통해서 모션을 제어하고, 측정 장비도 컨트롤 해야 한다. 비전만 제공하는 곳, 모션만 제공하는 곳, 측정만 제공하는 곳, 이렇게 각자의 솔루션을 제공하는 곳은 있었지만, 이 모든 것을 통합해서 제공하는 회사는 찾아보기 힘들었다. 다행이 한 10년간 NI 제품과 LabVIEW를 사용해 보았고, NI 제품의 신뢰성을 가지고 있었기 때문에 NI 카탈로그를 뒤지기 시작해서 이 장비를 개발 할 수 있었다.

본론

하드웨어
이 장비의 구성은 크게 비전, 모션, 측정 이렇게 세 부분으로 나눌 수 있다. 모션과 측정은 해본 경험이 있어서 구성하는데 큰 걱정은 하지 않았다. 그러나 비전의 경우 처음이라 조금 망설여졌지만 NI 제품의 신뢰성을 가지고 있기 때문에 시도해 보기로 결정했다.

그림 1은 구성된 시스템의 전체 사진으로 중앙 위 부분에 있는 것이 산업용 현미경이고, 중앙 아래 부분에 있는 것이 x, y, z, Rotation Stage다. 중앙에 원형으로 된 8개의 코일이 있는데, 이 중 6개는 지구 자기장을 보정해주는 헬름홀츠 코일이고, 나머지 두 개는 외부에서 시료에 자기장을 인가할 수 있는 코일이다. 시료가 지구 자기장을 측정하는 시료로 지구 자기장을 상쇄시킨 상태에서 시료의 특성을 평가해야 하기 때문이다.
우선 프로그램은 3개로 구성되어 있는데, 아직 양산 전 단계인 시료 테스트 단계로서 웨이퍼 위의 시료 위치와 크기들이 수시로 변하기 때문에 편리상 나누어 놓았다. Loading, Unloading, Align을 할 수 있는 프로그램과 시료 위치를 찾아가는 프로그램, 그리고 측정을 담당하는 프로그램으로 되어있다. Loading, Unloading, Align에 대해서 보면, 비전 컨트롤을 사용하여 기준이 되는 이미지를 저장해 놓고, 웨이퍼가 Load된 후, 이미지를 비교하면서 Align을 하도록 구성하였다. 현미경이 하나 뿐이어서 좌우로 스테이지를 이동하면서 Align 하도록 구성하였다. 사용한 장비는 PXI-7334, MID-7604, IMAQ PXI-1409이다. 그림 2의 프론트 패널에서 보면 Unloading 버튼과 Loading 버튼이 있고, Origin을 정해주는 탭이 있다. 이 탭 기능은 웨이퍼의 패턴이 바뀔 때만 실행시켜 주면 된다. Unloading의 경우, 스테이지가 앞으로 이동해서 웨이퍼를 올려 놓을 수 있게 되어있다. 웨이퍼를 올려놓고 Loading 버튼을 클릭하면 정해진 위치(Origin)로 이동하게 된다. 이송 후 Align 탭을 누르면 좌우로 스테이지가 이동하며 Align을 할 수 있도록 구성하였다.

소프트웨어
정렬이 끝난 후 측정하고자 하는 시료를 지정해주면 자동으로 그 위치로 이동하게 된다. 이 부분은 개발 단계에서는 일주일에 한두 번씩 계속적으로 바뀌는 부분이라 따로 분리시켜 놓았다. 이것 또한 LabVIEW의 장점이라 할 수 있다. 자체적으로 개발하지 않고 외부에 의존했다면 이렇게 필요에 따른 대응을 제대로 할 수 없었을 것이다. 이 프로그램은 초기에 사용하다가 따로 분리 시킨 후 지금은 사용하지 않고 있다. 물론 양산 마스크 작업이 들어가게 되면 마스크에 맞게 다시 위치를 잡고, Full Auto로 다시 프로그래밍 할 것이다.

마지막 부분인 측정을 담당하는 프로그램이다. 이 프로그램은 같은 종류의 시료 5개를 동시에 측정 할 수 있게 된다. 비전을 이용해서 정렬이 잘 되어 있는지를 다시 한번 확인하고, 각각의 저항을 측정해 시료의 정상 유무를 판단하고, 정상 상태이면 시료의 특성을 평가하게 된다. 시료의 평가는 시료에 함수 발생기로 삼각파를 인가하고, 그 출력을 오실로스코프로 읽어 특성을 평가하게 된다. 이와 같이 시료의 선택을 위해서 사용된 장비는 PXI-8186, PXI-1042, PXI-6527이고, 측정 장비 컨트롤은 PXI-8186에 내장된 GPIB카드를 사용하였다. PXI-6527 보드는 디지털 I/O 보드로 릴레이 제어에 사용하였고, 측정 장비는 모두 GPIB를 이용하여 펑션 제너레이터, 오실로스코프, RLC 미터, DC 파워 서플라이를 제어하여, 유기적으로 측정하였다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
시스템을 구축하는데 걸린 시간은 납기에 걸리는 시간이 6주정도 소요되었고, 그 동안 시스템에 필요한 다른 가공물들을 제작하였다. 모든 필요한 제품이 구비되고 셋업 하는데 걸린 시간은 1주밖에 걸리지 않았다. 모든 시스템을 완성하는데 걸리는 시간은 총 3개월 미만 이었다. 이렇게 짧은 시간에 저렴한 비용으로 충분한 측정 성능을 가진 시스템을 구비하기란 쉽지 않을 것이다. 본론에도 언급했지만 개발 과정에서 잦은 마스크 교환에 따른 문제도 프로그램을 분리가 용이하여 사용자가 편리하게 사용할 수 있었다. 이런 예기치 않은 상황에서도 쉽게 대처할 수 있는 솔루션을 제공해줄 수 있는 곳은 찾기 어려울 것으로 생각한다.

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이제형 차장
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