Keysight 고주파 기술 센터(HFTC): 맞춤형 고성능 집적 회로 제조의 선두주자

1.0 서론: 고주파 기술의 전략적 중요성

Keysight 고주파 기술 센터(High Frequency Technology Center, HFTC)는 캘리포니아 산타로사에 위치한 최첨단 시설로, 세계 최고 수준의 맞춤형 집적 회로(IC)를 발명, 개발 및 제조하는 핵심적인 역할을 수행합니다. HFTC의 사명은 Keysight가 강력한 기술 경쟁 우위를 확보하고, 고객에게는 최고의 측정 솔루션을 제공하는 것입니다. 이를 위해 HFTC는 13,000 평방피트 규모의 class-100 클린룸 팹(fab)과 세계적 수준의 설계, 모델링, 측정 및 미세 가공 전문성을 결합하여 독보적인 역량을 구축했습니다.

HFTC는 고주파 기술을 신속하게 혁신하고 제공함으로써 Keysight의 전자 측정 제품에 근본적인 차별성을 부여합니다. 본 백서는 HFTC가 어떻게 독점적인 반도체 기술 포트폴리오, 완벽하게 수직 통합된 제조 공정, 그리고 업계를 선도하는 측정 과학을 결합하여 아이디어를 세계 최고 성능의 IC로 구현하는지 심도 있게 조명할 것입니다.

 

2.0 핵심 반도체 기술 포트폴리오 및 전략적 유연성

HFTC의 성공은 다양한 고주파 애플리케이션의 엄격한 요구 사항을 충족시키는 광범위한 반도체 기술 포트폴리오에 기반합니다. 이 기술 포트폴리오는 Keysight 제품의 성능을 극대화하고 시장에서 근본적인 차별화를 가능하게 하는 전략적 자산입니다. HFTC는 각 애플리케이션에 최적화된 반도체 기술을 제공함으로써 계측기 등급의 정밀도와 신뢰성을 보장합니다.

기술 (Technology)                 주요 사양 (Key Specifications)                                      핵심 애플리케이션 (Core Applications)

GaAsSb/InP DHBT	이미터 CD 1µm, ƒT = 200 GHz	범용 디지털/아날로그, 계측기 프론트엔드용 신호 컨디셔닝 칩셋
InGaP/GaAs HBT	이미터 CD 2µm, ƒT = 70 GHz	범용 디지털/아날로그
고체 스위치 (Solid State Switches)	초고속 안정화(Ultra fast settling)	최대 50 GHz 스위치 및 감쇠기
GaAs 접합 및 쇼트키 다이오드	InGaP/GaAs HBT 플랫폼 기반	신호 컨디셔닝, 믹서, 멀티플라이어, 스위치
GaAs/InGaAs/AlGaAs pHEMT	i-line 및 e-beam 리소그래피, 게이트 길이 250nm ~ 120nm, ƒT = 60 ~ 90 GHz	mm-wave LNA, 전력 증폭기, 스위치
GaAs FET	i-line 리소그래피, 게이트 길이 350nm, fT = 30 GHz	마이크로웨이브 전력 증폭기 및 스위치
GaAs 열전쌍 소자	습식 에칭 웹(Wet etched web)	파워미터용 전력 센서

HFTC의 모든 반도체 기술에는 박막 저항(thin film resistors), 금속-절연체-금속(MIM) 커패시터와 같은 수동 회로 소자와 스루 웨이퍼 비아(through-wafer vias), 다중 상호 연결 레이어(multiple levels of interconnect)가 완벽하게 통합되어 있어 높은 수준의 집적 공정 능력을 보여줍니다.

HFTC는 기술 접근 방식에 있어 독보적인 전략적 유연성을 추구합니다. 내부 재료 성장 역량 외에도, 전략적 공급업체와 공동 개발한 신소재를 상업적으로 적극 활용합니다. 또한 GaN, 고성능 pHEMT, MEMS 스위치와 같은 기술에 대해서는 외부 IC 파운드리 서비스를 활용하여 내부 역량을 보완합니다. 이 하이브리드 접근 방식은 Keysight에 고유한 전략적 이점을 제공합니다. 즉, 내부 개발이든 외부 소싱이든 관계없이 모든 특정 애플리케이션에 대해 업계 최고 수준의 기술을 선택할 수 있게 하여 Keysight 계측기가 단일 기술 로드맵에 의해 제한되지 않도록 보장합니다.

HFTC는 현재의 포트폴리오에 안주하지 않고, 차세대 공정을 지속적으로 개발하며 미래의 측정 기술을 선도하고 있습니다. HFTC의 포괄적인 제조 공정은 이러한 핵심 기술을 아이디어에서 현실로 구현하는 강력한 기반이 됩니다.

 

3.0 수직 통합 제조 공정: 아이디어에서 완성까지

HFTC의 가장 큰 강점 중 하나는 재료 성장부터 최종 다이 분리(die separation)에 이르기까지 전체 제조 공정을 내부에서 완벽하게 통제하는 수직 통합 모델입니다. 이 모델을 통해 HFTC는 세계 최고 수준의 품질, 신뢰성 및 혁신 속도를 달성하며, 아이디어를 신속하게 완성된 제품으로 구현할 수 있습니다.

3.1 기초 공정: 재료 성장 및 특성 분석

모든 고성능 반도체의 시작은 완벽한 품질의 재료입니다. HFTC는 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 공정을 통해 III-V족 화합물 반도체(GaAs, AlGaAs, InGaAs 등)를 원자층 수준에서 정밀하게 성장시킵니다. MBE 공정은 초고진공(10⁻¹⁰ Torr) 환경에서 450~600°C로 가열된 기판 위에 분자 빔을 조사하여 약 2.8Å/s의 속도로 박막을 성장시키는 기술입니다. 이 기술을 통해 캐리어 속도를 높이고 에너지 밴드갭을 정밀하게 조절하여 소자 성능을 최적화할 수 있습니다. HFTC는 이를 위해 특화된 두 대의 Veeco Gen200 멀티 웨이퍼 MBE 시스템(한 대는 비소(As)용, 다른 한 대는 비소 및 안티몬(As, Sb)용으로 in-situ 수소 플라즈마 처리 기능 보유)을 운영합니다.

성장된 재료는 엄격한 품질 관리를 위해 다음과 같은 다양한 특성 분석 도구를 통해 검증됩니다.

• Rigaku SmartLab x-ray diffraction, reflection

• Nanometrics RPM-blue production photoluminescence

• Ultrahigh-sensitivity R&D photoluminescence and photoreflectance

• Lehighton contactless conductivity mapping

• 77 K and 300 K Hall measurements

• Surface defect characterization

• Phase-contrast optical microscopy

3.2 핵심 웨이퍼 팹 공정

리소그래피 (Lithography)

HFTC는 Nikon 스테퍼 기반 프로젝션, 접촉, E-beam 리소그래피 등 다양한 기술을 완벽하게 제어하여 120nm에서 100µm에 이르는 폭넓은 범위의 미세 치수(Critical Dimension, CD)를 구현합니다. 이를 통해 복잡하고 정밀한 회로 패턴을 웨이퍼에 형성할 수 있습니다.

• Nikon NSR-2205i12D i-line stepper: 350nm의 해상도와 ≤ 65nm의 뛰어난 오버레이 정밀도를 자랑합니다.

• JEOL JBX-6000FS E-beam system: 50KV에서 5~100nm의 미세한 빔 직경과 ≤ 60nm의 오버레이 정밀도를 제공하며, pHEMT 공정에서 120nm 게이트 리프트오프(lift-off)를 가능하게 합니다.

• EVG620 Automated Double Side Mask Alignment System: 후면 비아 및 칩 ID 공정에 사용되며, 최대 30µm 두께의 감광액(photoresist)도 처리할 수 있습니다.

건식 식각 (Dry Etch)

HFTC의 건식 식각 기술은 GaAs, InP, SiO₂, Si₃N₄ 등 다양한 재료를 나노미터 수준에서 정밀하게 가공하는 데 사용됩니다. 120nm에서 60µm까지의 CD와 50nm에서 100µm까지의 식각 깊이를 정밀하게 제어합니다. SPTS HDP 에처, SPTS Omega RIE 에처, Oxford PlasmaLab100 클러스터 툴, VEECO 이온 밀 시스템 등 다양한 장비를 보유하고 있으며, 레이저 종말점 검출, 고온 식각 등 고급 기능을 통해 공정 정확도를 극대화합니다.

증착 (Deposition)

HFTC는 스퍼터링, E-beam 증발, 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD), 스핀 코팅, 전기도금 등 포괄적인 박막 증착 공정을 완벽하게 제어하여 전도성 금속, 저항성 박막, 절연막 등 다양한 재료를 1~7µm 두께로 증착합니다. CVC 및 TES 스퍼터, CHA 및 Temescal e-beam 증발기, SPTS Delta PECVD 시스템, American Plating Systems 금 도금 벤치 등의 장비를 활용하여 Ti, Au, Ta₂N, SiNx 등 다양한 박막을 형성합니다.

3.3 후공정 및 다이 분리

습식 식각, 리프트오프 및 웨이퍼 박막화 (Wet Etch, Lift-off, and Wafer Thinning)

정밀한 재료 제거를 위해 Universal Plastics 자동화 습식 식각 스테이션과 SPEC 자동 솔벤트 리프트오프 툴과 같은 장비를 사용하여 공정을 제어합니다. 후면 공정 전에는 Engis FL15 래퍼와 같은 장비를 사용하여 GaAs 또는 InP 웨이퍼를 50 또는 100µm 두께로 정밀하게 박막화합니다.

다이 팹 (Die Fab)

웨이퍼 공정이 완료되면 개별 칩으로 분리(singulation)하는 다이 팹 공정을 거칩니다. 이 이중 역량은 독보적인 유연성을 제공하여, 비용 효율적인 쏘잉(sawing)을 통한 대량 생산과 정밀 레이저 마이크로머시닝을 통한 신속하고 복잡한 프로토타이핑을 모두 지원함으로써 신규 혁신 제품의 개발 주기를 획기적으로 단축시킵니다.

• 생산용: K&S 982 다이아몬드 쏘 (60µm 커프)

• 프로토타입용: 3D Micromac 레이저 시스템

• 품질 관리: August Technology NSX-90 자동 비전 시스템으로 결함을 검사하고, Laurier 및 Royce 분류 시스템을 통해 다이를 분류합니다.

3.4 공정 모니터링 및 진단

HFTC의 웨이퍼 팹은 공정 모니터링 및 진단을 위한 광범위한 특성 분석 도구에 의해 지원됩니다. 이러한 도구들은 원자 수준부터 마이크론 수준까지 모든 단계에서 정밀한 공정 제어를 가능하게 하는 품질 피드백 루프의 핵심입니다.

• 분석용 SEM: Auriga Crossbeam 및 LEO 1550은 ~5nm의 고해상도 이미징, 원소 분석(EDX), 그리고 초고해상도 단면 분석을 위한 FIB 및 STEM 기능을 제공합니다.

 

• 측정용 SEM: Hitachi S6100 및 S6200H는 100nm 이하의 미세 치수(CD)를 반자동으로 정밀하게 측정합니다.

• 주사 탐침 현미경 (SPM): Agilent Technologies 5600LS는 원자력 현미경(AFM)을 포함한 다양한 모드를 통해 옹스트롬 수준의 표면 높이 및 측면 치수 정보를 제공합니다.

• 광학 계측: Rudolph S-200 및 SCI FilmTek 2000은 투명 박막의 두께를 측정하며, IVS-120은 나노미터 수준의 오버레이 정밀도 제어에 사용됩니다.

 

이처럼 모든 공정을 수직으로 통합하고 엄격하게 통제하는 역량은 HFTC가 단순한 부품 제조를 넘어, 계측기 등급의 완벽한 품질과 신뢰성을 보증할 수 있는 근본적인 이유가 됩니다.

 

4.0 타협 없는 품질 보증 및 신뢰성

HFTC는 계측기 등급의 품질과 장기적인 신뢰성을 보장하기 위해 제조 공정 전반에 걸쳐 엄격한 전기적 테스트와 신뢰성 모니터링을 수행합니다. HFTC의 테스트 철학은 맞춤형 하드웨어/소프트웨어와 Keysight의 세계 최고 수준 테스트 장비를 결합하여, 원자 구조부터 최종 소자 성능에 이르기까지 모든 단계의 데이터를 활용하는 품질 피드백 루프를 완성하고 고객에게 총체적인 품질을 보장하는 것입니다.

4.1 공정 중 및 완제품 테스트

웨이퍼 테스트 (Wafer Test)

각 웨이퍼의 품질은 공정 제어 모니터(Process Control Monitor, PCM) 구조를 통해 여러 단계에서 모니터링됩니다. 이 데이터는 통계적 공정 관리(Statistical Process Control, SPC)와 웨이퍼 승인 프로그램에 활용되어 공정 안정성을 확보합니다. 클린룸 내에 위치한 4개의 PCM 테스트 플랫폼은 파라메트릭 DC I-V 및 C-V 특성 분석과 최대 50GHz의 RF 네트워크 분석 역량을 갖추고 있습니다.

제품 테스트 (Product Test)

HFTC는 완성된 부품을 100% 전기적으로 검증하여 데이터 시트 사양을 완벽하게 충족시키는 'Known Good Die'만을 공급합니다. 7개의 주요 테스트 플랫폼(총 18개 스테이션)은 다음과 같은 광범위한 테스트 역량을 제공합니다.

• 주파수 도메인: 최대 110GHz 네트워크 분석, 최대 75GHz 스펙트럼 분석

• 시간 도메인: 최대 32Gb/s의 펄스/패턴 신호 생성 및 파형 분석

• 프로빙: 단일/다중 웨이퍼 자동 프로버, 최소 100µm 패드 간격 지원

• 패키지: QFN을 포함한 다양한 패키지 유형에 대한 자동화된 핸들러 및 테스트

4.2 장기 신뢰성 모니터링

HFTC는 생산 웨이퍼에서 추출한 다이에 대한 가속 수명 테스트를 통해 반도체 공정의 장기 신뢰성을 지속적으로 모니터링합니다.

• 고온 작동 수명 (HTOL): 최대 260°C의 고온에서 다이를 스트레스 테스트하여 IC의 수명을 예측합니다.

• 중규모 집적 배열 (MSI Array): 웨이퍼당 12,000개 이상의 트랜지스터를 테스트하여 초기 불량을 식별합니다.

• RF 작동 수명 (RFOL): 실제 사용 환경(전력 및 주파수)을 모사하여 시간에 따른 출력 전력 변화를 기록하고 신뢰성을 평가합니다.

• 고전압 배열 (HVA): 웨이퍼당 1,600개의 트랜지스터를 테스트하여 고전압 작동과 관련된 잠재적 문제를 스크리닝합니다.

• 시간 의존적 유전체 파괴 (TDDB): 커패시터의 수명을 평가하여 절연막의 신뢰성을 검증합니다.

이러한 엄격한 테스트와 신뢰성 프로그램은 성공적인 IC 설계를 가속화하는 HFTC의 첨단 모델링 및 측정 과학에 의해 뒷받침됩니다.

 

5.0 첨단 모델링 및 측정 과학: 설계 성공의 가속화

성공적인 IC 설계는 정확한 측정과 정교한 모델링에 달려 있습니다. HFTC의 측정 및 모델링 과학 역량은 설계 반복 횟수를 최소화(일반적으로 1~3회)하고 시장 출시 시간을 단축하는 데 결정적인 역할을 합니다.

측정 (Measurements)

HFTC의 첨단 엔지니어링 테스트 랩은 오늘날 테스트 장비의 한계를 뛰어넘는 광범위한 측정 역량을 보유하고 있습니다.

• 최대 110 GHz까지의 벡터 보정 주파수 보존 스펙트럼 분석

• 최대 170 GHz까지의 온-웨이퍼 스칼라 스펙트럼 분석

• 최대 52 Gb/s의 시간 도메인 특성 분석

• 최대 50 GHz까지의 서브-마이크로초 펄스 S-파라미터 측정

• 고출력 ACPR, TOI 및 파워 스트라이프(power strife) 측정

• LFO 및 위상 잡음(Phase Noise) 특성 분석

• 최대 50 GHz의 비선형 액티브/패시브 로드-풀(Load-pull) 측정

• DynaFET, X-Parameter, FET 및 HBT 모델 추출을 위한 선형 및 비선형 벡터 네트워크 분석

모델링 (Modeling)

HFTC는 측정된 데이터를 등가 회로(compact model), 행동 모델(neural networks), S-파라미터 및 X-파라미터 등으로 해석하여 정확한 모델을 정의합니다. 특히, HFTC는 2009년 S-파라미터를 수학적으로 확장한 X-파라미터를 개발하여 업계 표준을 선도했습니다. X-파라미터는 기존 S-파라미터와 달리 비선형성, 다중 톤(multi-tone), 비-50옴 임피던스 조건까지 포함하여, 과거에는 모델링이 불가능했던 소자의 복잡한 실제 동작을 정확하게 예측합니다. 이 혁신은 설계자들이 훨씬 높은 신뢰도로 시뮬레이션을 수행하게 함으로써, 비용이 많이 드는 실리콘 재작업(respin)의 위험을 크게 줄이고 전체 제품 개발 수명 주기를 가속화하는 핵심 동력이 됩니다.

이러한 독보적인 과학적 역량은 Keysight가 세계 최고 수준의 제품 솔루션을 지속적으로 제공하는 근간이 됩니다.

 

 

6.0 결론: 고주파 기술의 신뢰할 수 있는 파트너

HFTC는 세계 최고의 전자 측정 회사를 위해 중요한 고주파 솔루션을 제공하는 최첨단 기술의 중심입니다. HFTC가 제공하는 독보적인 가치는 다음과 같은 핵심 요소들의 전략적 결합에서 비롯됩니다.

• 광범위한 독점 기술 포트폴리오: 다양한 애플리케이션 요구를 충족시키는 맞춤형 솔루션 제공

• 수직 통합된 최첨단 제조 공정: 아이디어 구상부터 최종 제품까지 신속하고 유연한 개발 및 생산

• 타협 없는 품질 보증 및 신뢰성 테스트: 계측기 등급의 품질과 장기적인 신뢰성 보장

• 업계를 선도하는 측정 및 모델링 과학: 설계 성공률을 높이고 시장 출시 시간 단축

HFTC는 Keysight 내부의 핵심 역량일 뿐만 아니라, 고선형성 믹서, 고출력 증폭기 등 다양한 IC를 베어 다이(bare die) 또는 패키지 형태로 외부에도 공급합니다. ISO 9001:2008 인증을 통해 입증된 품질 경영 시스템을 바탕으로, HFTC는 고주파 집적 회로 개발 및 제조 분야에서 신뢰할 수 있는 업계 리더이자 이상적인 파트너입니다.

더 자세한 정보는 www.keysight.com/ind/mmic를 방문하십시오.

 

 

https://www.keysight.com/be/en/assets/7018-04675/brochures/5992-0385.pdf

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