오늘은 우리 나라 제조 산업 중 가장 큰 비중을 차지 하는 반도체의 8대 공정에 대해 알려드릴게요.
제가 하는 실험도 공정에서 어느 정도 유사점이 있어서 관심이 생겨 공부해보았답니다.
우선 반도체에 대해 간략하게 소개하고 차차 설명드리겠습니다.
반도체 정의
반도체는 쉽게 말해 도체와 부도체의 성질을 반반 가진 것입니다.
또한 반도체는 전기를 통해 자유롭게 흐를 수 있는데, 그것은 일부분은 전기를 통과시키는 '전도성'을 가지고 있기 때문입니다. 반도체는 다양한 소자들을 만들기 위해 사용되며, 컴퓨터, 휴대전화, 디지털 카메라 등 다양한 전자제품에서 중요한 역할을 합니다.
반도체는 일반적으로 실리콘으로 만들어지며, 반도체 웨이퍼라는 평판 모양의 실리콘 원판에서 다양한 소자들을 만들기 위한 다양한 공정이 수행됩니다. 반도체 제조 기술은 고도화되어 있으며, 이를 통해 초소형 소자들을 만들어내는 것이 가능합니다. 이러한 초소형 소자들은 전자제품의 성능과 기능을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.
* 이 실리콘 웨이퍼는 순도도 굉장히 높기에 다양한 실험에서도 사용이 됩니다.
사용할 때는 살짝 금을 낸 다음, 집게로 양 옆을 잡고 비틀면 잘 쪼개집니다.
[한 눈에 알아보는 반도체 8대 공정]
1. 웨이퍼 제작 공정
웨이퍼 제작 공정 (Wafer fabrication process) : 웨이퍼라고 불리는 실리콘 원판에서 트랜지스터, 다이오드, 캐패시터 등의 부품을 만드는 공정입니다.
- 잉곳 만들기
모래에서 실리콘을 추출하고 녹인 다음에 이를 성장시켜서 잉곳을 만듭니다. 이때 순도는 99.999999999 % 이상의 고순도의 물질을 사용합니다. 이를 얇게 잘라 웨이퍼를 만듭니다.
- 웨이퍼 선별 및 세척
잘라진 웨이퍼는 심각한 불순물이 없는지 확인하기 위해 선별됩니다. 이후 웨이퍼는 산화 처리와 함께 물로 세척됩니다.
- 미세한 산화 및 광택 처리, 세척 및 검사
이 단계에서는 웨이퍼의 표면에 미세한 산화층을 형성합니다. 이렇게 형성된 산화층은 표면을 보호하고, 다음 공정에서 사용할 마스크와 잘 결합됩니다. 그리고 웨이퍼의 표면을 광택 처리하여 부드러운 표면을 만듭니다.
2. 산화 공정(화학 기계적 연마 공정)
화학 기계적 연마 공정 (Chemical Mechanical Planarization, CMP) : 웨이퍼의 표면을 평탄하게 연마하는 공정입니다.
화학 기계적 연마 공정 (Chemical Mechanical Planarization, CMP)은 반도체 제조 공정 중 하나로, 실리콘 웨이퍼의 평면도를 향상시키는 데 사용됩니다. CMP 공정은 반도체 공정에서 가장 중요한 공정 중 하나로, 반도체 소자의 크기를 작게 만들기 위해 필수적입니다.
CMP 공정은 기계적 연마와 화학적 반응을 결합한 공정으로, 부드러운 패드와 함께 액체 연마액을 사용합니다. 웨이퍼는 패드 위에 놓이고, 패드와 웨이퍼 사이에서 회전하면서 액체 연마액을 사용하여 부분적으로 웨이퍼를 연마합니다.
- 연마
웨이퍼는 회전하는 패드 위에 놓이고, 연마액이 부착된 폴리우레탄 패드를 사용하여 웨이퍼의 표면을 부드럽게 연마합니다. 연마액은 일반적으로 실리콘 디옥사이드, 금속이온, 알칼리성 또는 산성 물질로 구성되며, 이것은 웨이퍼를 연마하고, 연마된 부분을 제거하기 위해 사용됩니다.
- 평탄화
평탄화 단계에서는 연마된 부분을 제거하여 웨이퍼의 표면을 평탄화합니다. 평탄화는 다양한 방법으로 수행될 수 있습니다. 일반적으로는 패드와 웨이퍼 사이의 연마액을 조절하여 웨이퍼의 표면을 부드럽게 만듭니다.
- 세척
마지막으로, CMP 공정 후 웨이퍼를 깨끗하게 세척하여 모든 불순물을 제거합니다. 이 단계에서는 웨이퍼를 물로 세척하고, 마지막으로 공기건조기를 사용하여 건조시킵니다.
CMP 공정은 다양한 반도체 소자를 만드는 데 필수적입니다. CMP를 사용하면 반도체 소자의 평면도를 향상시키고, 더 높은 소자 집적도와 더 높은 성능을 달성할 수 있습니다.
3. 포토 공정, 노광 공정
노광 공정 (Lithography) : 마스크를 이용하여 웨이퍼에 패턴을 형성하는 공정입니다.
반도체의 꽃이라고 할 수 있는 부분입니다. 저번에 올린 글에서 이야기 했지만 이번에 다시 설명해보겠습니다.
이 공정은 실리콘 웨이퍼의 표면에 반도체 소자를 만들기 위해 광선을 사용하여 패턴을 형성하는 과정입니다. 이 과정은 반도체 소자의 크기, 모양 및 배치를 정확하게 제어하여 원하는 성능을 얻는 데 매우 중요합니다.
노광 공정은 다음과 같은 단계로 구성됩니다.
- 마스크 제작
노광 공정의 첫 번째 단계는 마스크 제작입니다. 마스크는 반도체 웨이퍼에 투영할 패턴을 나타내는 반도체 마스크입니다. 마스크는 광학 장비에서 사용됩니다.
- 광원
두 번째 단계는 광원을 사용하여 광선을 생성하는 것입니다. 광원은 높은 강도의 광선을 생성하기 위해 Xeon 램프, 아르곤 램프 또는 레이저를 사용할 수 있습니다.
노광 공정
노광 공정에서는 마스크에서 생성된 패턴을 웨이퍼에 전달하는 광선을 사용합니다. 광선은 렌즈를 사용하여 패턴을 축소시키고, 웨이퍼의 민감한 반도체 표면에 패턴을 전달합니다. 광선은 반도체 표면에 드는 각도와 광의 파장에 따라 패턴이 변형될 수 있으므로 이러한 영향을 제어하기 위해 다양한 광학 장비가 사용됩니다.
- 후처리
노광 공정 후, 반도체 웨이퍼는 후처리 공정을 거쳐 마무리됩니다. 후처리 공정은 반도체 소자를 형성하기 위해 반도체 웨이퍼 표면을 처리합니다. 이 과정은 반도체 소자를 형성하기 위해 필요한 부가적인 공정, 즉 얇게 증착된 박막의 제거, 이온 주입, 도파 형성 등이 수행됩니다.
노광 공정은 반도체 소자의 크기, 모양 및 배치를 정확하게 제어하여 원하는 성능을 얻는 데 매우 중요합니다.
4. Etching(구조화 공정)
구조화 공정 (Etching) : 마스크로 형성된 패턴을 따라 웨이퍼의 표면을 삭감하는 공정입니다.
에칭(Etching)은 반도체 제조 공정 중 하나로, 반도체 웨이퍼의 표면을 부식시켜 반도체 소자를 만드는 과정입니다. 이 과정은 반도체 웨이퍼의 표면을 부식시키는 방법에 따라 화학적 에칭(Chemical Etching)과 물리적 에칭(Physical Etching)으로 나뉩니다.
화학적 에칭은 반도체 표면에 적용된 화학약품을 사용하여 표면을 부식시키는 과정입니다. 이 과정에서는 반도체 웨이퍼 표면에 일정한 패턴을 만들기 위해 마스크를 사용합니다. 마스크는 웨이퍼의 일부 영역을 보호하여 해당 영역은 부식되지 않도록 합니다. 마스크가 적용된 후, 화학약품을 사용하여 마스크가 보호하지 않은 영역을 부식시키고, 마스크가 보호한 영역은 보호되어 남아 있습니다.
물리적 에칭은 반도체 웨이퍼의 표면을 부식시키는 물리적 프로세스를 사용하여 반도체 소자를 형성하는 과정입니다. 이 과정은 주로 반도체 웨이퍼 표면에 이온을 충돌시켜 부식시키는 방식으로 수행됩니다. 이온 충돌을 통해 반도체 표면의 분자가 깨어져 부식됩니다. 이 과정에서도 마스크가 사용되어 일정한 패턴을 만들어낼 수 있습니다.
에칭을 통해 원하는 패턴을 만들어내어 반도체 소자를 만들어냅니다. 이 과정은 반도체 소자의 정확한 크기, 모양 및 배치를 제어할 수 있어, 반도체 제조에 매우 중요한 역할을 합니다.
5. 박막 공정
박막공정: 반도체 웨이퍼 표면에 얇은 박막을 코팅하여, 반도체 소자에서 필요한 다양한 기능을 수행하기 위한 공정입니다.
박막 공정은 반도체 제조 공정 중 하나로, 반도체 웨이퍼에 얇은 박막을 코팅하는 과정입니다. 박막은 반도체 소자에서 다양한 기능을 수행하기 위해 적용되며, 반도체 웨이퍼 표면에 균일한 박막을 적용해야 합니다.
박막 공정은 크게 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 및 물리기상증착(PVD, Physical Vapor Deposition) 두 가지 방법으로 구분됩니다.
화학기상증착은 반도체 웨이퍼에 화학기체를 공급하여, 반응을 일으켜 새로운 분자를 생성하여 반도체 표면에 박막을 형성하는 과정입니다. 이 과정은 반도체 웨이퍼 표면에 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있습니다.
물리기상증착은 반도체 웨이퍼 표면에 원자나 이온 등의 입자를 충돌시켜 박막을 형성하는 과정입니다. 이 과정은 대부분의 금속 물질에 대해 적용됩니다. 물리기상증착은 주로 전자빔 증착, 스팅어 증착, 이온 증착 등의 방법으로 수행됩니다.
박막 공정은 반도체 제조 공정 중 가장 기술적으로 복잡한 과정 중 하나입니다. 박막의 두께, 합성 속도, 반응조건 등을 정확하게 제어해야만 원하는 특성을 가진 박막을 형성할 수 있습니다. 이러한 박막은 반도체 소자에서 다양한 기능을 수행하는 중요한 역할을 합니다.
* 이 부분은 제가 개인적으로 재미있어 하는 부분이라 나중에 더 공부해보려고 합니다
6. 배선 공정, 열 처리 공정
배선 공정은 반도체 제조 공정에서 반도체 칩에 실리콘 기판과 다른 부품들과의 전기적인 연결을 가능하게 하는 단계입니다.
배선 공정은 반도체 칩 내부와 외부 모두에서 이루어집니다. 칩 내부에서는 다양한 층에 금속 선을 적층하여 서로 연결하는 과정이 이루어지며, 칩 외부에서는 칩과 기판, 또는 칩과 패키지 간의 전기적 연결을 위한 패드 및 금속 배선이 형성됩니다.
배선 공정에서는 여러가지 공정이 사용됩니다. 먼저, 리소그래피 공정을 통해 배선 패턴이 적층됩니다. 이후 금속 층을 증착하는 공정, 배선의 금속 층을 박리하여 패드와 연결하는 공정, 마스크를 사용하여 불순물을 제거하는 공정 등이 있습니다.
배선 공정은 반도체 제조 과정에서 매우 중요한 단계입니다. 전기적 연결을 통해 다양한 부품들이 상호작용하며 반도체 제품의 전체적인 성능을 결정합니다. 따라서, 배선 공정의 품질과 정확성은 제품의 품질과 성능에 큰 영향을 미칩니다. 이를 위해 고급 기술과 장비를 사용하여 정교하고 정확한 배선 공정을 수행해야 합니다.
열 처리 공정 (Annealing) : 웨이퍼를 고온에서 가열하여 도핑된 부분을 확산시켜 반도체 소자의 전기적 특성을 개선하는 공정입니다.
열 처리 공정은 반도체 제조 공정 중 하나로, 반도체 소자를 제작하기 위해 필요한 다양한 공정 중 하나입니다. 이 공정은 반도체 웨이퍼 또는 소자에 열을 가해 다양한 변화를 일으키는 과정입니다.
열 처리 공정은 다양한 방법으로 수행됩니다. 가장 기본적인 방법은 반도체 소자를 가열하는 것입니다. 이 방법은 소자 내부의 결함을 제거하고, 소자의 전기적 특성을 개선하는 데 사용됩니다. 또한, 반도체 소자를 가열하여 원하는 구조로 변형시키는 것도 가능합니다.
또 다른 방법으로는 반도체 소자에 이온을 주입하는 것입니다. 이 방법은 소자의 특성을 변경하거나, 특정 구조를 형성하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 이온 주입 공정은 MOSFET 소자에서 저항값을 조절하는 데 사용됩니다.
열 처리 공정을 통해 반도체 소자의 전기적, 물리적 특성을 제어할 수 있으며, 반도체 소자의 성능을 향상시키는 데 기여합니다.
7. 테스트 공정
반도체 제조가 완료된 후에는 반드시 반도체 소자의 기능을 검증해야 합니다. 이를 위해 테스트 공정이 수행됩니다.
테스트 공정은 다양한 기술을 사용하여 반도체 소자의 전기적, 기계적, 광학적 특성 등을 검사합니다. 이를 통해 소자의 기능이 올바르게 동작하는지 확인하고, 결함이 있는 경우 식별하여 수정할 수 있습니다.
테스트 공정은 다양한 단계에서 수행됩니다. 제조 공정 중간에는 프로세스 제어를 위한 테스트가 수행되고, 제조가 완료된 후에는 최종 검사가 수행됩니다. 이를 통해 모든 반도체 소자가 출하 전에 품질 검사를 거쳐 안정적인 동작이 보장됩니다.
테스트 공정에는 다양한 기술이 사용됩니다. 예를 들어, DC 및 AC 테스트를 사용하여 전기적 특성을 측정하고, 레이저 간섭 측정 등 광학적 기술을 사용하여 광학적 특성을 측정합니다.
테스트 공정은 반도체 제조 공정의 중요한 부분이며, 반도체 소자의 품질을 보장하는 데 매우 중요한 역할을 합니다.
8. Packaging(후공정)
후공정 (Packaging) : 반도체 소자를 보호하고 외부와 연결하기 위해 다양한 패키지를 적용하는 공정입니다.
Packaging 또는 후공정은 반도체 제조 공정의 마지막 단계로, 반도체 소자를 보호하고 외부 환경에서 사용 가능한 제품으로 만드는 과정입니다.
Packaging 과정은 다양한 단계로 구성됩니다. 먼저, 반도체 칩을 다양한 패키지 형태로 적용할 수 있도록 준비합니다. 이 과정은 칩에 전기적 연결을 위한 패드를 추가하고, 필요한 보호 및 경로 설정 요소를 추가하는 것을 포함합니다.
다음으로, 패키지에 반도체 칩을 설치합니다. 이 과정은 반도체 칩을 패키지에 연결하고, 패키지를 보호하기 위한 특수 물질을 적용하는 것을 포함합니다. 이 과정은 칩에 대한 물리적 보호를 제공하고, 칩과 다른 장치 간의 전기적 연결을 제공하는데 중요합니다.
마지막으로, 패키지에 라벨 및 마킹을 적용하여 제품을 완성합니다. 이 과정은 패키지에 부착된 라벨 및 기타 정보를 추가하고, 제품이 원활하게 유통되도록 포장합니다.
Packaging 과정은 반도체 소자의 외부 환경에서의 사용성과 신뢰성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 반도체 소자의 크기와 형태, 소비 전력, 신뢰성 등을 고려하여 적절한 패키지를 선택하고 설계하는 것이 필요합니다. 이를 통해 제품의 품질과 성능을 최적화하고, 시장에서 경쟁력 있는 제품을 만들 수 있습니다.
이 8대 공정은 반도체 제조의 핵심 공정이며, 고도화된 기술과 정교한 제어 시스템이 필요합니다.
이 공정을 이해하고 산업에 적용하는 것이 중요합니다.
모든 과정을 이해하고 반도체 산업의 전반적인 내용을 이해해봅시다
다음에는 산업의 트렌드나 전반적인 흐름에 대해 공부해보려고 합니다.
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