[반도체 8대 공정] 1탄, ‘웨이퍼’란 무엇일까요?

반도체 없이 24시간을 생활할 수 있을까요? 휴대전화, 노트북은 물론 자동차, 텔레비전, 신용카드 등 우리 생활의 많은 부분에 반도체가 있기 때문에 생각보다 쉽지 않을 텐데요. 그렇다면 우리 삶과 밀접하게 연결돼 있는 반도체는 어떻게 만들어지는 걸까요?

반도체에 관심이 있는 분이라면 ‘반도체 8대 공정’이라는 말을 많이 들어 봤을 겁니다. 반도체 8대 공정이란 말 그대로 반도체가 완성되기까지 거치는 수백 번의 과정을 크게 8개의 공정으로 구분한 것인데요.

삼성반도체이야기에서는 블로그 리뉴얼을 맞아 채널 최고 인기 콘텐츠인 ‘반도체 8대 공정’에 대해 다시 한번 다루고자 합니다. 오늘은 8단계의 공정 중 첫 번째인 ‘웨이퍼(Wafer) 제조’에 대해 알아볼 텐데요. 반도체 집적회로의 핵심 재료인 웨이퍼란 무엇인지, 웨이퍼를 만드는 단계부터 차근차근 확인해 보겠습니다.

▶ 웨이퍼 제조에 필요한 재료

웨이퍼를 알아보기에 앞서 한가지 질문! 반도체 집적회로(Semiconductor Integrated circuit)와 웨이퍼는 어떤 관계일까요? 반도체 집적회로란, 다양한 기능을 처리하고 저장하기 위해 많은 소자를 하나의 칩 안에 집적한 전자부품을 말합니다. 웨이퍼라는 얇은 기판 위에 다수의 동일 회로를 만들어 반도체 집적회로가 탄생되는 만큼, 웨이퍼는 반도체의 기반인 셈이죠. 피자를 만들 때 토핑을 올리기 전, 도우를 만들듯이 말입니다.

웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미하는데요. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 만듭니다.

반도체 산업을 기반으로 성장해 전 세계 소프트웨어 산업의 중심지가 된 미국 실리콘밸리(Silicon Valley)의 경우 반도체 재료 ‘실리콘(Silicon)’과 산타클라라 인근 ‘계곡(Valley)’에서 만들어진 지명이라고 하는데요. 실리콘밸리와 연결 지어 생각하면 반도체 웨이퍼 재료 실리콘도 기억하기 쉽겠죠? 실리콘은 지구상에 풍부하게 존재하고 있어 안정적인 재료 수급이 가능하고, 독성이 없어 환경적으로도 우수하다는 장점을 가지고 있습니다. 그럼 본격적으로 웨이퍼 제조공정에 대해 알아볼까요?

1단계. 잉곳(Ingot) 만들기

모래에서 추출한 실리콘을 반도체 재료로 사용하기 위해서는 순도를 높이는 정제 과정이 필요합니다. 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것을 결정 성장시켜 굳히는 건데요. 이렇게 만들어진 실리콘 기둥을 잉곳(Ingot)이라고 합니다. 수 나노미터(nm)의 미세한 공정을 다루는 반도체용 잉곳은 실리콘 잉곳 중에서도 초고순도의 잉곳을 사용합니다.

2단계. 얇은 웨이퍼를 만들기 위해 잉곳 절단하기(Wafer Slicing)

둥근 팽이 모양의 잉곳을 원판형의 웨이퍼로 만들기 위해서는 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 써는 작업이 필요합니다. 잉곳의 지름이 웨이퍼의 크기를 결정해 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치) 등의 웨이퍼가 되는데요. 웨이퍼 두께가 얇을수록 제조원가가 줄어들며, 지름이 클수록 한번에 생산할 수 있는 반도체 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세입니다.

3단계. 웨이퍼 표면 연마(Lapping&Polishing) 하기

절단된 웨이퍼는 가공을 거쳐 거울처럼 매끄럽게 만들어야 되는데요. 절단 직후의 웨이퍼는 표면에 흠결이 있고 거칠어 회로의 정밀도에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 그래서 연마액과 연마 장비(Polishing machine)를 통해 웨이퍼 표면을 매끄럽게 갈아냅니다.

가공 전의 웨이퍼를 아직 옷을 입지 않은 상태라는 의미로 베어 웨이퍼(Bare wafer)라고 합니다. 여기에 여러 단계의 물리적, 화학적 가공을 거쳐 표면에 IC를 형성시키고 가공 단계를 거치면 아래와 같은 모습이 되는데요. IC칩까지 완성된 웨이퍼 각각의 명칭을 알아볼까요?

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

② 다이(Die): 둥근 웨이퍼 위에 작은 사각형들이 밀집돼 있는데요. 이 사각형 하나하나가 전자 회로가 집적되어 있는 IC칩인데, 이것을 다이라고 합니다.

③ 스크라이브 라인(Scribe Line): 맨눈으로는 다이들이 서로 붙어있는 듯 보이지만, 사실 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 자르고 조립해 칩으로 만들기 위해서인데요. 다이아몬드 톱으로 잘라낼 수 있는 폭을 두는 것이죠.

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.

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 있습니다.

오늘은 이 중 웨이퍼의 개념과 명칭, 생산 과정에 대해 알아봤습니다. 앞으로 반도체 8대 공정의 각 과정을 알기 쉽고 재미있게 소개할 예정이니 기대해 주세요!