반도체의 8대 공정이란 반도체가 완성되기까지 거치는 수백 번의 과정을 크게 8개의 공정으로 구분한 것이다. 앞으로 반도체의 8대 공정을 알아볼 예정인데 오늘은 첫번째 과정인 웨이퍼의 제조 과정에 대해서 글을 쓸 것이다.
본격적으로 웨이퍼의 제조 과정을 알기 전 몇가지 질문이 있다!
Q1. 웨이퍼와 반도체 집적회로(Semi-conductor Integrated Circuit)는 어떤 관계일까?
➜ 반도체 집적회로란, 다양한 기능을 처리하고 저장하기 위해 많은 소자를 하나의 칩 안에 집적한 전자부품을 말한다. 웨이퍼라는 얇은 기판 위에 다수의 동일 회로를 만들어 반도체 집적회로가 탄생되는 만큼, 웨이퍼는 반도체의 기반인 셈이다. 피자를 만들 때 토핑을 올리기 전 도우를 만들듯이 웨이퍼를 만들게 된다.
Q1-2. 소자가 뭘까?
➜ 원소, 즉 특정한 질량(원자량)을 가진 원자의 한 종류를 지칭한다. 예를 들면 산소, 질소, 아르곤, 구리 등과 같은 것. 이것들은 화학적으로는 최소의 단위 이고 화학 반응의 수단으로서는 이 이상 분해할 수 없다.
Q1-3. 반도체 소자?
➜ 반도체를 소재로 하여 만든 회로소자이며 여기에 사용되는 반도체는 규소(실리콘), 저마늄, 갈륨비소 등이다.
Q2. 웨이퍼의 재료는 뭘까?
➜ 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs)등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미한다. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 만든다.
Q2-2. 실리콘의 장점?
➜ 실리콘은 지구상에 풍부하게 존재하고 있어 안정적인 재료 수급이 가능하고, 독성이 없어 환경적으로 우수하다는 장점을 가진다.
이제 웨이퍼의 제조 공정에 대해서 알아보자 ! 🅂🅃🄰🅁🅃
① 잉곳(Ingot) 만들기
모래에서 추출한 실리콘을 반도체 재료로 사용하기 위해서는 순도를 높이는 정제 과정이 필요하다. 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것을 결정 성장시켜 굳히는 것이다. 이렇게 만들어진 실리콘 기둥을 잉곳(Ingot)이라고 한다. 수 나노미터(nm)의 미세한 공정을 다루는 반도체용 잉곳은 실리콘 잉곳 중에서도 초 고순도의 잉곳을 사용한다.
② 얇은 웨이퍼를 만들기 위해 잉곳 절단하기(Wafer Slicing)
둥근 팽이 모양의 잉곳을 원판형의 웨이퍼로 만들기 위해서는 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 써는 작업이 필요하다. 잉곳의 지름이 웨이퍼의 크기를 결정해 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치) 등의 웨이퍼가 된다. 웨이퍼의 두께가 얇을수록 제조원가가 줄어들며, 지름이 클수록 한번에 생산할 수 있는 반도체 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세이다.
③ 웨이퍼 표면 연마(Lapping & Polishing) 하기
절단된 웨이퍼는 가공을 거쳐 거울처럼 매끄럽게 만들어야 한다. 절단 직후의 웨이퍼는 표면에 흠결이 있고 거칠어 회로의 정밀도에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 그래서 연마액과 연마 장비를 통해 웨이퍼 표면을 매끄럽게 갈아낸다.
④ 가공된 웨이퍼
가공 전의 웨이퍼를 아직 옷을 입지 않은 상태라는 의미로 베어 웨이퍼(Bare wafer)라고 한다. 여기에 여러가지 물리적, 화학적 가공을 거쳐 표면에 IC를 형성시키고 가공 단계를 거치면 아래와 같은 모습이다.
❶ 웨이퍼 : 반도체 집적회로의 핵심 재료로 원형의 판을 의미한다.
❷ 다이(Die) : 둥근 웨이퍼 위에 사각형들이 밀집되어 있다. 이 사각형 하나하나가 전자 회로가 집적되어 있는 IC칩인데, 이것을 다이라고 한다.
❸ 스크라이브 라인: 맨눈으로는 다이들이 서로 붙어있는 듯 보이지만, 사실 다이들은 일정한 간격을 두고 서로 떨어져 있다. 이 간격을 스크라이브 라인이라고 한다. 이렇게 스크라이브 라인을 두는 이유는 웨이퍼 가공이 끝난 뒤, 이 다이들을 한 개씩 자르고 조립해 칩으로 만들기 위해서이다. 다이아몬드 톱으로 잘라낼 수 있는 폭을 두는 것이다.
❹ 플랫존: 웨이퍼의 구조를 구별하기 위해 만든 영역으로 웨이퍼 가공 시 기준선이 된다. 웨이퍼의 결정구조는 매우 미세해 눈으로 판단할 수 없기 때문에 이 플랫존을 기준으로 웨이퍼의 수직, 수평을 판단한다.
❺ 노치: 최근에는 플랫존 대신 노치가 있는 웨이퍼도 있다. 노치 웨이퍼가 플랫존 웨이퍼보다 더 많은 다이를 만들 수 있어 효율이 높다.
Q4. 플랫존이나 노치로 수직, 수평을 판단하는 이유?
➜ 웨이퍼의 실리콘 결정 격자 방향을 구분해주기 위해 노치나 플랫존으로 마킹을 해준다.
반도체 사업에는 웨이퍼를 생산하는 웨이퍼 산업과 웨이퍼를 자재로 해 회로를 설계하고 제조하는 웨이퍼 가공산업인 팹(FAB, Fabrication) 산업이 있습니다. 또한, 가공된 웨이퍼를 가져다가 다이를 잘라서 습기나 압력에 보호받게 포장(package)하는 어셈블리(assembly)사업도 있다.