반도체 공정(2)- 웨이퍼 제조 공정 [반도체 8대 공정 ①]

이번 글에서는 8대 공정의 첫 번째 단계인 웨이퍼 제조 공정에 대해 설명해 보도록 하겠습니다.
 
웨이퍼란 Si, GaAs 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥(=Ingot, 잉곳)을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미합니다. 이 웨이퍼는 반도체를 만드는 토대가 됩니다. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 Si으로 만들어집니다.
 
웨이퍼를 제조하는 과정은 크게 3단계로 나누어집니다. 

1. 잉곳 만들기
모래에서 추출한 Si을 반도체 재료로 사용하기 위해서는 순도를 높이는 정제 과정이 필요합니다. 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고, crystal growth를 통해 굳히는 과정을 거칩니다. 이렇게 만들어진 실리콘 기둥을 잉곳이라고 합니다. 
잉곳을 만드는 방식은 크게 두 가지 방식이 있습니다.
① Czochralski growth

Furnace 도가니에 고순도 poly Si을 녹입니다. (참고로poly-Si는 1417 ℃ 가까이에서 녹습니다.) 그리고 작은 단결정 Si을 seed holder에 장착한 후 seed와 고순도 액체 poly Si을 접촉시킵니다. 이후 seed holder를 천천히 회전시키면서 위로 끌어올리면 이 seed 단결정 구조에 맞춰 crystal이 성장하게 되고 그 결과로 ingot이 형성됩니다.

여기서 crucible은 도가니를 말함 (주로 quartz 도가니를 사용)

Czochralski 방식은 값싸고 대량 생산이 가능하여 1916년에 개발되어 지금까지 상용화되고 있는 방식입니다.
하지만 Czochralski 방식의 단점은 poly-Si를 가열하는 단계에서 quartz crucible과 SiC crucible holder로부터 impurity인 O, C 들이 포함된다는 것입니다.
 
② Float zone growth
Float zone 방식은 Czochralski 방식과 유사하지만 RF coil을 이용하여 더욱 높은 순도의 단결정 잉곳을 만드는 방법입니다. Poly-Si 잉곳을 RF coil을 통해 가열하고 이 RF coil을 점점 위로 올려 poly-Si을 단결정 Si 잉곳으로 바꾸는 과정을 통해 완성됩니다. 

도가니가 따로 존재하지 않기 때문에 불순물이 Czochralski 방식에 비해 적습니다.
Float zone growth 방식은 defect나 contaminants 들이 적기 때문에 높은 quality를 갖지만, 비용과 시간이 많이 필요하기 때문에 상용화가 어렵다는 문제가 있습니다.
따라서 대중적으로는 Czochralski 방식이 사용됩니다.
 
2. Wafer slicing (잉곳 절단하기)
두 번째 단계는 wafer를 얇게 slicing하는 단계입니다.
잉곳을 원판형의 웨이퍼로 만들기 위해서는 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 써는 작업이 필요합니다. 잉곳의 지름이 웨이퍼의 크기를 결정하여 150 mm (6 inch), 200 mm (8 inch), 300 mm (12 inch) 웨이퍼가 됩니다.
웨이퍼의 지름이 커질수록 한 번에 생산할 수 있는 반도체 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼와 두께는 점차 얇아지고 크기는 점차 커지는 추세입니다.
 
3. 웨이퍼 표면 연마 (Lapping & Polishing)하기
절단 직후의 웨이퍼 표면에는 거칠고 여러 흠집이 존재하기 때문에 정밀한 회로를 제작하는 것이 어려울 수 있습니다. 따라서 연마액과 연마 장비를 통해 웨이퍼 표면을 매끄럽게 갈아냅니다.
 
아래는 웨이퍼 제조 공정에 대한 animation을 확인할 수 있는 사이트입니다.
https://memc.co.kr/itc/product/process?parentId=27&menuId=30

엠이엠씨코리아

 
 
위의 단계를 거쳐 완성된 bare 웨이퍼 위에 여러 공정 과정을 거쳐 IC를 형성하고 가공 단계를 거치면 아래와 같은 웨이퍼가 완성됩니다.

삼성전자 반도체 뉴스룸

 
완성된 웨이퍼의 세부 명칭은 아래와 같습니다.

삼성전자 반도체 뉴스룸

① 웨이퍼(Wafer): 반도체 집적회로의 핵심 재료로 원형의 판을 의미합니다.

② 다이(Die): 전자 회로가 집적되어 있는 IC 칩들을 의미합니다.

③ 스크라이브 라인(Scribe Line): 다이와 다이들은 일정한 간격을 두고 서로 떨어져 있습니다. 이 간격을 스크라이브 라인이라고 합니다. 다이와 다이 사이에 스크라이브 라인을 두는 이유는, 웨이퍼 가공이 끝난 뒤, 이 다이들을 한 개씩 다이싱하여 칩으로 만들기 위해서입니다.다이아몬드 톱으로 잘라낼 수 있는 폭에 해당한다고 보시면 됩니다.

④ 플랫존(Flat Zone): 웨이퍼의 구조를 구별하기 위해 만든 영역으로 플랫존은 웨이퍼 가공 시 기준선이 됩니다. 웨이퍼의 결정구조는 매우 미세해 눈으로 판단할 수 없기 때문에 이 플랫존을 기준으로 웨이퍼의 수직, 수평을 판단합니다.

⑤ 노치(Notch): 최근에는 플랫존 대신 노치가 있는 웨이퍼도 있습니다. 노치 웨이퍼가 플랫존 웨이퍼보다 더 많은 다이를 만들 수 있어 효율이 높습니다.
 
참고로 모든 웨이퍼 위에 위와 같이 집적 회로가 설계되는 것은 아닙니다.
웨이퍼를 쓰임새별로 들여다보면, 프라임(prime) 웨이퍼, 테스트(test) 웨이퍼, 더미(dummy) 웨이퍼, 재생 웨이퍼 등이 있습니다. 생산에 실질적으로 투입되는 웨이퍼는 프라임 웨이퍼입니다. 테스트 웨이퍼는 프라임 웨이퍼를 생산 라인에 투입하기 전에 공정의 이상 유무를 미리 점검하는 역할을 하고, 더미 웨이퍼는 공정에 프라임 웨이퍼와 같이 투입되기는 하지만 앞과 뒤에서 프라임 웨이퍼를 보호하는 역할을 합니다.
 
 
 
다음 글에서는 반도체 8대 공정② 산화 공정에 대해서 설명해보도록 하겠습니다~