반도체 8대 공정

반도체 공정과정

• 웨이퍼제조

잉곳 만들기

잉곳을 만드는 방법은 개념 부분에서 자세히 설명했다. 모래에서 실리콘을 추출하여 녹인 다음 성장시켜 잉곳을 만든다. 반도체에서 사용하기 위해서는 실리콘의 농도가 일레븐 나인(99.999999999%) 이상인 초고순도의 잉곳 사용한다

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잉곳 절단하기

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성장시킨 잉곳을 웨이퍼로 만들기 위해 얇게 자른다. 이 때 산업용 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 써는 것이 중요하다. 잉곳의 지름이 곧 웨이퍼의 크기인데 6인치, 8인치, 12인치로 크기는 다양하다. 당연히 웨이퍼의 크기가 클수록 만들수 있는 반도체 칩이 증가하기 때문에 점차 커지는 추세이다.

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표면 연마하기

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잉곳을 절단시킨 직후 표면이 거칠거칠하기 때문에 표면을 매끄럽게 만드는 연마 작업(polishing) 을 한다. 표면이 거칠면 회로를 정밀하게 만들 수 없기 때문에 연마액을 뿌려 연마 장비를 이용하여 웨이퍼 표면을 매끄럽게 갈아낸다.

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세척과 검사

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그리고 마지막으로 세척을 통해 표면이 깨끗하고 매끄러운 상태의 웨이퍼가 되었는지 검사를 한다.

이 과정까지 마쳐야 우리가 생각하는 반짝반짝 빛나는 웨이퍼가 탄생하게 된다.

• 산화 공정

반도체는 나노공정이라고 하는 아주 미세한 작업을 통해 만들어진다. 반도체 직접회로 자체도 굉장히 작은데 여기에 마이크로 단위 규모의 먼지가 붙게 되면 전기가 제대로 흐르지 못하고 불량 반도체가 만들어진다.  이러한 먼지로 반도체가 오염되는 것을 막아주기 위해 보호막을 만드는것이 산화 공정이다.

웨이퍼 표면에 산소나 수증기를 뿌려서 균일한 실리콘 산화막을 형성합니다. 산화막이 이후 반도체 공정 과정에서 발생하는 오염물질이나 화학물질로부터 생성되는 각종 불순물로부터 웨이퍼 표면을 보호해준다. 

건식산화는 순수한 산소(O2)와 반응시켜 산화막을 형성하는 방법이다. 산화막 성장속도가 느려 얇은 막을 형성할 때 사용하며 전기적 특성이 좋은 산화막을 만들 수 있다. 따라서 산화막 질이 좋으면서 얇게 만들 수 있지만 시간이 오래걸린다는 단점이 있다.

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습식산화는 산소(O2)와 용해도가 큰 수증기(H2O)를 같이 사용하여 산화막을 형성하는 방법이다. 수증기(H2O)는 물을 넣고 끓여서 만들지 않고 수소(H2)가 채워진 챔버에 산소(O2)를 넣어 만든다. 그러면 수소와 산소가 반응해서 수증기를 만들고 실리콘과 결합하여 다시 수소로 돌아가는 반응을 반복해서 산화막을 형성한다. 산화막 성장속도가 건식산화보다 빠르고 두꺼운 산화막을 형성할 수 있다. 따라서 산화막을 빠르고 두껍게 만들 수 있지만 산화층의 밀도가 낮아 산화막의 질이 비교적 안 좋다는 단점이 있다.

• 포토 공정

웨이퍼 위에 회로를 그려 넣는 과정이다.

포토공정은 포토 리소그래피(Photo Lithography)를 줄여 포토(Photo)라고 많이 말한다.

웨이퍼 위에 감광제(PR, Photo Resist)를 도포하고 패턴이 그려진 마스크(Mask)를 웨이퍼 위에 올린 상태에서 빛을 쬐면 웨이퍼에 회로가 그려지게 된다. 이러한 과정을 노광(Exposure)하여 현상(Development)한다고 한다.

미세한 회로 구멍이 뚫린 마스크를 만들고, 웨이퍼 위에 이 마스크 판을 두고 자외선 빛을 쐬어 준다. 그러면 구멍이 뚫린 곳에만 자외선 빛을 받아 전자회로 패턴이 찍힌다.

• 식각 공정

식각이라는 말이 어려울 수도 있는데 에칭이라고도 불리고, 철을 부식시켜서 그리는 동판화와 같은 원리이다.
포토 공정에서 회로를 그렸으면 불필요한 회로를 벗겨내는 과정이 필요하고 이 과정이 식각 공정이다.

아까 포토 공정에서 빛에 반응하는 액인 감광액을 발랐었는데 포토 공정 후 자외선이 닿지 않아 감광액이 남아 있는 부분이 있다. 여기서 감광액이 남아 있는 부분이 회로도의 선 부분이고, 이 외의 부분은 감광액이 제거된다. 감광액이 제거된 부분은 회로가 아닌 필요없는 부분이니까 감광액이 제거된 부분의 산화막도 제거하는 과정이 필요하고 이 과정이 식각 공정이다. 

• 박막 증착 공정

식각 공정이 된 웨이퍼에는 회로를 한층만 쌓는 것이 아니라 여러 층을 쌓아 반도체를 만든다.
여러 층을 쌓아 바로 아래층의 회로와 윗층의 회로가 가까워지면 서로 영향을 줄 수 있어 불량 제품이 나오게 된다. 아래층의 회로와 윗층의 회로가 서로 영향을 주지 않도록 해줘야 하는데 이 과정이 박막 증착 공정이다.  그래서 아래층 회로에 윗층 회로를 쌓기 전에 절연막을 덮어준다. 절연막은 굉장히 얇기 때문에 박막이라고 한다.  (박막은 나노에서 마이크로 단위이다.)
박막을 만드는 공정을 박막 증착 공정이라고 말한다. 

• 금속 배선 공정

금속 배선 공정은 전기가 잘 통하는 금속의 성질을 이용해 반도체의 회로 패턴을 따라 전기길, 금속선을 이어주는 과정이다.
반도체는 전기가 통해야 하기 때문에 전기가 잘 통할 수 있도록 알루미늄 같은 선을 연결해 전기가 통하는 길을 만들어주는 것이다.

• 전기적 테스트 공정(EDS)

이제 반도체가 거의다 만들어졌고 각각의 칩이 전기가 잘 통하는지 작동이 잘되는지 품질을 검사하는 단계인 전기적 테스트 공정이다.
이 공정을 통해 원하는 품질 수준으로 칩이 만들어졌는지 판단하고 양품과 불량품을 검사한다.
하나의 웨이퍼에는 수백, 수천개의 반도체 칩이 만들어지게 됩니다. 그래서 웨이퍼에 회로를 만드는 공정 중에 불량품이 항상 만들어질 수 밖에 없다.
웨이퍼 한장에 만들어지는 칩 대비 정상 작동하는 칩의 비율을 수율이라고 하는데, 수율이 높을 수록 한 장의 웨이퍼를 통해 정상 작동하는 칩을 많이 만들 수 있다는 의미이고, 그만큼 기술력이 좋다고 표현을 할 수 있다.
수율이 높을수록 반도체 원가 비용을 절감할 수 있기 때문에 대부분의 반도체 기업들은 수율을 높이기 위한 연구개발을 끊임없이 진행한다. 실제로 수율 1% 오르게 되면, 연간으로 수백억에서 수천억까지 절감할 수 있다고 한다.

수율 개선이 반도체 기업의 경쟁력인 것이죠. 수율은 소재, 공정기간, 온도 등 다양한 요소에 영향을 받고 가장 높은 수율의 공정 레시피를 찾는 것이 관건이다.

• 패키지 공정

8대공정의 마지막인 패키지 공정
일곱 단계의 공정을 마치게 되면 웨이퍼에 수백 수천개의 칩이 만들어져 있고 이들을 전자기기에 들어갈 수 있는 부품의 크기에 맞게 자르고 포장하는 공정이 패키지 공정이다.