반도체 산업의 신뢰성 있는 검사를 위한 고성능 주사 음향 현미경 플랫폼 개발 = Tran Le Hai

국문 초록 (Abstract)

비파괴 검사와 비손상 시험은 시료를 손상시키지 않고 내부 구조를 확인할 수 있다는 장점 때문에 산업 및 반도체 응용 분야에서 필수적인 기술로 자리 잡았다. 이러한 접근법 중에서도 주사 음향 현미경(SAM)은 집속 초음파 트랜스듀서를 이용하여 시료 내부의 구조를 2 차원(2D) 영상으로 시각화하는 강력한 이미징 기법이다. 기존 SAM 플랫폼에서는 트랜스듀서가 3 축 갠트리에 장착되며, 영상 구성을 위해 순차적인 스캔 동작을 수행하도록 제어된다. 즉, 고속 X 축 왕복 운동을 통해 각 B-스캔을 생성하고, Y 축은 매 프레임 이후 계단식 이송을 제공하며, Z 축은 초점 위치를 조절한다. 이러한 테이블형 SAM(TSAM) 구성은 우수한 안정성과 넓은 스캔 범위를 바탕으로 웨이퍼 및 보드 단위의 검사에 널리 활용되고 있다. 그러나 X 축이 모터 구동 방식을 사용하기 때문에 그 관성 및 기계적 응답 속도에 의해 전체 스캔 처리 속도(throughput)에 한계가 발생한다. 이러한 느린 기계식 스캐닝의 한계를 극복하기 위해, 기존 X 축 구동부를 슬라이더- 크랭크(slider–crank) 메커니즘으로 대체한 고속 주사 음향 현미경(FSAM) 시스템이 개발되었다. 이 설계는 고주파수 왕복 운동을 가능하게 하여 스캔 시간을 크게 단축하면서도 영상 해상도를 유지할 수 있도록 하였다. 향상된 스캐닝 속도는 인라인 검사 응용에서 높은 잠재력을 보여주었다. 그러나 슬라이더-크랭크 메커니즘의 행정(stroke) 길이에 의해 스캔 가능한 범위가 본질적으로 제한되며, 고속 구동 시 진동을 제어하기 위해 행정 조건을 최적화해야 한다는 제약이 존재하였다. 그 결과, FSAM 시스템은 주로 소형 시료 또는 제한된 관찰 영역(field of view)이 요구되는 응용에 적합한 구조로 머물렀다. 고속, 기계적 안정성, 넓은 스캔 범위를 동시에 달성해야 하는 요구에 대응하기 위해, 본 연구에서는 새로운 대칭형 이중 슬라이더-크랭크 메커니즘을 SAM 시스템에 도입하였다. 내연기관의 균형 잡힌 왕복 운동에서 영감을 받아, 두 개의 슬라이더- 크랭크 구동계를 대칭 배치하여 서로 반대 방향의 왕복 운동을 생성하도록 설계하였다. 이러한 구성은 동특성 측면에서의 밸런스를 향상시키고, 진동을 최소화하여 고속에서도 안정적인 운전을 가능하게 한다. 더 나아가, 이중 행정 기하 구조를 통해 실질적인 스캔 가능 범위가 두 배로 확대되어, 대면적 비파괴 검사에서 시스템 처리 효율을 크게 향상시켰다. 제안된 시스템은 전력 반도체 칩, 집적회로(IC) 칩, 다층 인쇄회로기판(PCB) 등 대표적인 산업용 시료를 대상으로 한 영상 실험을 통해 검증되었다. 실험 결과, 확장된 스캔 범위 전체에서 균일한 영상 품질이 확보되었으며, 고속 동작 중에도 초점 안정성이 유지되고, 내부 결함이 신뢰성 있게 검출되는 것이 확인되었다. 이러한 결과는 대칭적으로 밸런싱된 이중 슬라이더-크랭크 기반 SAM 시스템이 차세대 비파괴 평가 및 반도체 인라인 공정 응용을 위한 고성능 플랫폼으로서 높은 잠재력을 지님을 입증한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Noninvasive inspection and nondestructive testing have become essential technologies in industrial and semiconductor applications owing to their ability to reveal internal structures without damaging the sample. Among these approaches, scanning acoustic microscopy (SAM) is a powerful imaging method that utilizes a focused ultrasonic transducer to visualize subsurface features in two-dimensional (2D) form. In a conventional SAM platform, the transducer is mounted on a three-axis gantry and controlled to perform sequential motions required for image construction: the fast X-axis reciprocates to generate each B-scan, the Y- axis provides continuous step-wise translation after every frame, and the Z-axis adjusts the focal point. This table-type SAM (TSAM) configuration is widely employed for wafer- and board-scale inspection due to its stability and large scanning range; however, its overall throughput is limited by the inertia and mechanical response of the motor-driven X-axis. To overcome the limitations of slow mechanical scanning, a fast scanning acoustic microscopy (FSAM) system was developed by replacing the traditional X-axis with a slider-crank mechanism. This design enabled high-frequency reciprocating motion, significantly reducing scanning time while maintaining image resolution. The enhanced scanning speed demonstrated strong potential for in-line inspection. Nonetheless, the scanning range was inherently constrained by the stroke of the slider-crank mechanism, which required optimization to control vibration at high speed. Consequently, the FSAM system was primarily suited for small samples or applications requiring a restricted field of view. Driven by the need to simultaneously achieve high speed, mechanical stability, and a wide scanning range, a novel symmetric double slider-crank mechanism was introduced into the SAM system. Inspired by the balanced motion of internal combustion engines, two slider-crank assemblies were arranged in a symmetric configuration to generate opposing reciprocating motions. This arrangement enhanced dynamic balance, minimized vibration, and enabled stable high-speed operation. Moreover, the dual-stroke geometry effectively doubled the available scanning area, thereby improving system throughput for large-area nondestructive inspection. The proposed system was validated through imaging experiments on representative industrial samples, including power semiconductor chips, integrated circuit (IC) chips, and multilayer printed circuit boards. The results demonstrated uniform image quality across the extended scanning range, stable focusing during high-speed operation, and reliable detection of internal defects. These findings confirm the potential of the symmetrically balanced double slider-crank SAM system as a high-performance platform for next-generation nondestructive evaluation and in-line semiconductor manufacturing applications

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1: INTRODUCTION 1
• 1.1 Motivation 1
• 1.2 Improvements of SAM Systems 1
• CHAPTER 2: THE TABLE SAM250 SYSTEM: DESIGN, DEVELOPMENT, AND IMPLEMENTATION 3
• 2.1 Introduction 3
• 2.2 Materials and experiments 5
• 2.2.1 SAM principle 5
• 2.2.2 Sample preparations and evaluation processes 7
• 2.2.3 The Table SAM250 system 8
• 2.3 Results and discussion 13
• 2.3.1 Initial evaluation of IC chip 13
• 2.3.2 Visualization of the basic IC chip structure and layer division 15
• 2.3.3 Scanning result 17
• 2.4 Conclusion 19
• CHAPTER 3: FSAM-400: SLIDER–CRANK-DRIVEN FAST-SCANNING ACOUSTIC MICROSCOPY SYSTEM 21
• 3.1 Introduction 21
• 3.2 Relate works. 23
• 3.3 FSAM representation and structure program 24
• 3.3.1 Analyse the shaking force 24
• 3.3.2 Fast scanning module(FSM) 33
• 3.3.3 FSM fabrication and FSAM400 system 34
• 3.3.4 FSAM program structure 37
• 3.4 Result 38
• 3.4.1 Samples preparation and system setup 38
• 3.4.2 Visualization of the basic IC chip structure and layer division 39
• 3.4.3 Scanning results 41
• 3.5 Conclusions 46
• CHAPTER 4: DUAL-SIDED FSAM (DFSAM): A HIGH-THROUGHPUT ULTRASONIC IMAGING PLATFORM FOR THICK SAMPLE EVALUATION 49
• 4.1 Introduction 49
• 4.2 Method 51
• 4.2.1 Analysis of SSCM of the DFSAM system 51
• 4.2.2 Proposed DFSAM system methodology 55
• 4.2.3 DFSAM system design and fabrication 56
• 4.3 Results 58
• 4.3.1 Dynamic analysis of the crankshaft 58
• 4.3.2 Vibration analysis 61
• 4.3.3 Scanning result 63
• 4.4 Discussion 67
• 4.5 Conslusion. 69