반도체 산업의 핵심, 8대 공정 개념부터 순서까지 알아보기

4차 산업혁명의 도래로 인공지능, 빅데이터, 사물인터넷 등 다양한 기술들이 발전하고 있습니다. 이러한 기술들의 기반이 되는 것이 바로 반도체인데요. 반도체는 우리 생활 곳곳에 사용되고 있으며, 미래 산업의 핵심이라고 할 수 있습니다. 그렇다면 반도체는 어떻게 만들어지는 걸까요? 오늘은 반도체 산업의 핵심인 8대 공정에 대해 알아보겠습니다.

반도체 산업의 핵심, 8대 공정 개념부터 순서까지 알아보기

반도체 산업의 핵심, 8대 공정 소개

반도체 제조 공정은 반도체 칩을 설계한 후, 웨이퍼 가공, 조립, 검사의 과정을 거쳐 최종 제품을 만들어내는 과정입니다. 이 중에서도 가장 핵심적인 8대 공정은 다음과 같습니다.

 

1. 웨이퍼 제조 : 반도체의 재료가 되는 얇은 원판인 웨이퍼를 만드는 단계입니다. 모래에서 추출한 실리콘을 뜨거운 열로 녹여 원통형 기둥 형태로 만든 후, 얇게 잘라내 원형의 웨이퍼를 만듭니다.

 

2. 산화 공정 : 웨이퍼 표면에 산화막을 형성하는 단계입니다. 산화막은 외부 불순물로부터 웨이퍼를 보호하고, 전기적 특성을 갖게 해줍니다.

 

3. 포토 공정 : 회로를 그려 넣는 단계입니다. 빛에 반응하는 감광액을 웨이퍼 위에 바르고, 회로 패턴이 담긴 마스크를 올려놓은 후 빛을 쬐어주면 웨이퍼 위에 회로가 그려집니다.

 

4. 식각 공정 : 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 단계입니다. 부식액을 이용해 불필요한 부분을 선택적으로 제거합니다.

 

5. 증착 공정 : 박막이라고 하는 아주 얇은 막을 입히는 단계입니다. 전기가 잘 통하는 금속 물질이나 반도체 성질을 가진 물질을 웨이퍼 위에 입혀 전기적 특성을 갖게 합니다.

 

6. 금속 배선 공정 : 웨이퍼 상에 형성된 각 회로를 연결하는 단계입니다. 전기가 잘 통하는 금속선을 연결하여 전류가 흐를 수 있도록 합니다.

 

7. EDS(Electrical Die Sorting) 공정 : 전 공정 완료 후 웨이퍼 상태에서 개별 칩들의 전기적 특성검사를 통해 양품과 불량품을 선별합니다. 수선 가능한 칩은수선공정에서 처리됩니다.

 

8. 패키징 공정 : 최종적으로 완성된 반도체를 외부 충격으로부터 보호하고, 메인보드에 장착될 수 있도록 포장하는 단계입니다. 습기나 불순물로부터 반도체를 보호하고, 반도체의 성능을 유지할 수 있도록 합니다.

 

이러한 8대 공정을 통해 만들어진 반도체는 컴퓨터, 스마트폰, 자동차 등 다양한 제품에 사용됩니다.

웨이퍼 제조와 준비 과정

반도체 집적회로의 핵심 재료인 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘을 가공해 만들어집니다. 실리콘은 고온에서도 안정적이고, 전기적인 특성이 우수하며, 독성이 없어 반도체 재료로 적합합니다.

먼저, 순도가 높은 실리콘을 얻기 위해 메탈실리콘을 정제해야 합니다. 이후 실리콘을 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고, 이것을 결정 성장시켜 잉곳(Ingot)을 만듭니다. 잉곳은 마치 엿가락처럼 생긴 실리콘 막대입니다. 그다음으로는 잉곳을 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 절단합니다. 이렇게 절단된 얇고 둥근 원판을 '웨이퍼'라고 하며, 일반적으로 200mm(8인치), 300mm(12인치) 크기의 웨이퍼가 주로 사용됩니다.

이렇게 만들어진 웨이퍼는 표면을 연마해 거울처럼 매끄럽게 만듭니다. 또, 회로를 그려 넣기 위해 화학 처리를 하고, 세척 과정을 거쳐 포토 공정에 들어갈 준비를 마칩니다. 이러한 일련의 과정을 '전(前) 공정'이라고 합니다.

산화 및 기타 표면 처리 기법

표면 처리 단계에서는 산화 공정이 이루어집니다. 산화 공정은 산소나 수증기를 웨이퍼 표면에 뿌려 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성하는 공정입니다. 산화막은 보호막 역할을 하며, 전기적 불순물 침투를 막고, 이온 주입 공정과 확산 공정 시에 방지막 역할을 합니다.

또 다른 표면 처리 기법으로는 열처리 공정이 있습니다. 이 공정은 특수한 가스 분위기에서 웨이퍼를 가열하거나 냉각 시켜 전자 소자의 특성을 개선하는 기술입니다. 이때 온도, 시간, 가스 종류 등을 제어하여 원하는 특성을 얻을 수 있습니다.

이외에도 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정이라는 평탄화 공정도 있습니다. 이는 화학 물질과 연마제를 사용하여 웨이퍼 표면을 매끄럽게 갈아내는 방식으로, 반도체 소자의 고집적화와 미세화에 따라 중요성이 커지고 있습니다.

포토리소그래피: 빛을 이용한 회로 패턴 형성

노광 공정이라고도 불리는 포토리소그래피는 반도체 제조 공정 중 가장 핵심적인 공정 중 하나 입니다. 이 공정은 설계자가 만든 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼 위에 회로를 그려 넣는 공정입니다.

마스크는 석영 기판 위에 크롬으로 만들어지며, 회로도와 실제 칩 크기 비율은 보통 5~10배 정도 차이가 납니다. 즉, 아주 작은 크기의 회로라도 마스크 상에서는 상대적으로 크게 보입니다. 이렇게 만들어진 마스크는 고해상도 렌즈를 통해 웨이퍼 위에 투사됩니다. 그러면 빛에 노출된 부분만 현상액에 의해 부식되어 회로 패턴이 새겨집니다.

최근에는 극자외선(EUV)을 이용한 포토리소그래피 기술이 개발되어 보다 미세한 회로 패턴을 형성할 수 있게 되었습니다. EUV는 기존의 불화아르곤(ArF) 광원보다 파장이 짧아 더 미세한 회로 패턴을 구현할 수 있으며, 10나노미터 이하의 초미세 공정에서도 높은 생산성을 유지할 수 있습니다.

식각 과정: 패턴대로 웨이퍼 조각내기

포토리소그래피 공정을 통해 그려진 회로 패턴을 따라 불필요한 부분을 제거하는 과정입니다. 이 과정은 화학적 반응을 이용하는 습식 식각과 플라즈마를 이용하는 건식 식각으로 구분됩니다.

습식 식각은 용액에 담긴 웨이퍼를 회전시키면서 화학 물질을 뿌려 원하는 부분을 제거하는 방식입니다. 이 방식은 비용이 저렴하고 빠르게 진행할 수 있지만, 정확성이 떨어지고 미세한 패턴을 구현하기 어렵다는 단점이 있습니다.

반면 건식 식각은 진공 상태에서 플라즈마를 이용하여 이온을 가속시키고, 이를 웨이퍼 표면에 충돌 시켜 불순물을 제거하는 방식입니다. 이 방식은 정확성이 높고 미세한 패턴을 구현 할 수 있어 최근에는 대부분의 반도체 제조 공정에서 건식 식각 방식이 사용되고 있습니다.

건식 식각은 또다시 두가지로 나눌 수 있는데, 반응성 이온 식각(RIE)과 이방성 식각이 있습니다. RIE는 이온 빔과 반응성 가스를 동시에 사용하여 식각 속도를 높이고, 방향성을 부여하는 방식이며 이방성 식각은 비등방성 식각이라고도 하며, 식각하고자 하는 부위만 선택적으로 식각하는 방식입니다.

증착 과정 : 물질을 쌓아 올리기

웨이퍼 위에 얇은 막을 입히는 과정으로, 이 막은 전기가 잘 통하는 금속 막 또는 전기가 통하지 않는 절연막으로 만들어집니다. 증착 방법은 크게 물리적 기상 증착(PVD)과 화학적 기상 증착(CVD)으로 나뉩니다.

물리적 기상 증착은 금속 박막을 형성하는 데 주로 사용되며, evaporation(증발)과 sputtering(스퍼터링)방식이 있습니다. evaporation은 도가니에 금속을 넣고 열을 가해 증발시켜 웨이퍼에 붙이는 방법이고, sputtering은 아르곤 가스가 들어있는 진공 챔버에 금속 타겟을 넣고 고에너지의 이온을 충돌시켜 금속 원자를 떼어내 웨이퍼에 증착 시키는 방법입니다.

화학적 기상 증착은 가스의 화학 반응으로 형성된 입자들을 외부 에너지 인가 혹은 확산에 의해 기판 표면에 고착시키는 방법으로, 실리콘 산화막, 질화막, 이산화탄소, 탄화수소 등의 절연막을 증착하는 데 사용됩니다. APCVD, LPCVD, PECVD 등이 있으며, 최근에는 저온에서도 고품질의 막을 형성할 수 있는 PE-CVD가 많이 사용 되고 있습니다.

이온 주입 : 물성 변경을 위한 원자 주입

반도체가 원하는 전기적인 특성을 가지도록 반도체 내부의 불순물의 농도를 높이는 과정입니다. 이온 주입기를 이용하여 불순물 원자를 높은 에너지로 가속한 후 웨이퍼에 주입합니다.

불순물 원자는 이온 주입기의 전압에 의해 전하를 띠게 되며, 이로 인해 정전기적 인력에 의해 웨이퍼 내부로 침투하게 됩니다. 이후 고온의 열을 가하여 주입된 불순물 원자를 확산시켜 원하는 영역에 균일하게 분포되도록 합니다.

이온 주입의 장점은 도핑 농도와 깊이를 정확하게 제어할 수 있어 소자의 특성을 개선할 수 있다는 점입니다. 하지만, 이온 주입으로 인해 웨이퍼에 손상이 생길 수 있는데, 이를 회복하기 위해 열처리(annealing)과정을 거칩니다.

검사 및 패키징 : 최종 제품의 품질 확인

웨이퍼 가공이 완료된 후, 만들어진 칩들의 불량 여부를 판별하는 단계입니다. 전기적 특성 검사를 통해 각각의 칩들이 원하는 성능을 발휘하는지 확인합니다.

이후, 완성된 반도체를 외부 충격으로부터 보호하고, 단자를 연결하여 외부 기기와 상호작용할 수 있도록 포장하는 단계입니다. 습기나 불순물로부터 반도체를 보호하고, 반도체의 수명과 신뢰성을 향상시키는 역할을 합니다.

검사 및 패키징 기술은 반도체의 성능과 안정성을 결정하는 중요한 요소 중 하나이며, 이를 통해 최종 제품의 품질을 확인하고 보증할 수 있습니다.

지금까지 반도체 8대 공정에 대해 알아보았습니다. 반도체는 우리 삶에 큰 영향을 미치고 있으며, 미래 산업의 핵심 중 하나인데요. 이번 기회에 반도체 8대 공정에 대해 알아두면 좋을 것 같습니다.