‘반도체 사업장은 어떻게 생겼을까?’ 오늘은 삼성전자 반도체 사업장이 궁금한 분들을 위해 전국 곳곳의 캠퍼스 전경과 라인 내부까지 살펴볼 수 있는 영상을 준비했습니다.

드넓은 삼성전자 반도체 캠퍼스들의 모습은 드론 영상으로 한 눈에 볼 수 있고, 들어가보고 싶었던 반도체 라인 내부의 이모저모는 직접 보는 것처럼 가까이서 확인할 수 있는 영상! 특히 라인 안에서는 웨이퍼를 자동으로 이송해주는 ‘OHT’부터, 반도체 제조 공정이 착착 진행되는 첨단 설비들, 방진복을 입은 근무자들까지 생생하게 담았는데요. 궁금했던 반도체 사업장의 안과 밖을 알차게 담은 영상을 지금 바로 확인해보세요.

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여러 번 들어도 알쏭달쏭했던 반도체 8대 공정! 가장 쉽고 빠르게 이해하는 방법은 직접 눈으로 살펴보는 것인데요. 그동안 방문하지 못해 아쉬우셨던 분들을 위해 삼성전자 DS부문이 직접 준비했습니다. 바로 반도체를 제조하는 과정을 레고로 제작한 것인데요. 레고로 탄생한 반도체 8대 공정을 영상으로 확인해보세요!

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[반도체 백과사전] 반도체 8대 공정 한 눈에 보기!

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미세먼지가 심한 날에도 1년 365일, 24시간 내내 1 μm(마이크로미터)의 어떤 먼지나 바이러스도 용납하지 않는 청정 구역이 있습니다. 섬세하고 예민한 반도체 제조공정이 이뤄지는 ‘클린룸’이 바로 그곳인데요. 외부 환경과 상관없이 높은 수준의 청정도를 유지하는 반도체 생산 라인의 비결은 무엇일까요? 미니 웹툰을 통해 확인해보시기 바랍니다. 

철저한 시스템을 통해 아주 작은 먼지도 허용하지 않는 클린룸. 삼성전자가 세계 최고의 반도체를 생산하는 이유입니다.

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세계 최대 반도체 공장을 블록으로 재현하다! 블록 반도체 클린룸의 탄생 과정 공개!

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삼성전자 DS부문이 준비한 지난 영상(제목/링크)에서는 장난감 블록으로 재현된 반도체 공장을 통해 반도체 생산 라인이 어떻게 청정한 클린룸으로 유지되는지 알 수 있었습니다. 블록형태의 클린룸은 컴퓨터 그래픽인지 헷갈릴 만큼 정교했는데요. 세계 최대 반도체 공장인 삼성전자 평택 캠퍼스가 어떻게 장난감 블록으로 재탄생 한 걸까요?

반도체가 만들어 지는 곳, 왜 클린룸일까?

손톱보다 작은 크기의 반도체에 수많은 회로를 새길 수 있는 이유는 나노 단위의 초미세 공정 덕분인데요. 이러한 반도체 공정에서는 눈에 보이지 않는 1 μm(마이크로미터)의 먼지나 바이러스 입자만 있어도 불량이 발생할 수 있습니다. 따라서 반도체 생산 라인은 항상 청정한 환경을 유지하는 것이 중요하죠. 이곳의 이름이 바로 ‘클린룸’입니다.

축소된 반도체 공장에서 한 눈에 만나는 클린룸의 세계

반도체 클린룸은 여러분이 생각하는 것보다 훨씬 안전하고 깨끗합니다. 삼성전자 DS부문은 클린룸을 한 눈에 확인할 수 있도록 삼성전자 평택캠퍼스 1라인을 장난감 블록을 활용해 520분의 1로 축소했습니다.

장난감 블록을 활용한 반도체 클린룸을 만들기 위해 가장 먼저 필요한 과정은 축소 설계였습니다. 그리고 제작된 블록을 통해 본격적으로 조립을 시작했는데요. 장난감 블록 클린룸을 만들기 위해 사용된 블록은 만 오천여 개, 조립기간은 무려 8일(1일 10시간 기준)이 걸렸습니다. 많은 노력 끝에 장난감 블록 클린룸은 실제 반도체 클린룸과 유사한 모습으로 완성될 수 있었죠.

먼지 단 한 톨도 용납 못한다!
스톱 모션으로 촬영 된 클린룸의 청정 구역 유지 비결

완성된 블록 클린룸은 반도체 생산 라인이 청정하게 유지되는 과정을 담기 위해 스튜디오로 옮겨졌습니다. 이번 영상은 스톱 모션 기법으로 제작됐는데요. 단 한 컷의 영상을 완성하기 위해 4~5시간의 촬영은 기본이었죠. 오류를 최소화 하기 위해 촬영과 영상 편집을 동시에 진행하기도 했습니다.

특히 청정한 클린룸 유지를 위한 에어샤워와 드라이 쿨링 코일(Dry Cooling Coil), ULPA 필터 등의 라인 내부 공기 정화 시스템을 표현하기는 쉽지 않았는데요. 정밀하고 섬세했던 블록 클린룸 제작 과정의 자세한 내용은 영상을 통해 확인해보세요!

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미세먼지 수치 ‘0’! 아주 작은 먼지도 허용하지 않는 ‘클린룸’

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반도체 산업에 관심 있다면 꼭 알고 있어야 하는 내용 중 하나가 바로 ‘반도체 8대공정’입니다. 어렴풋이 알고는 있지만 맥락을 다시 살피고 싶은 여러분들을 위해 반도체 제조공정을 한 눈에 볼 수 있는 콘텐츠를 준비했습니다. 각 단계를 클릭하면 자세한 설명이 담긴 게시글로 이동할 수 있도록 연결해 두었는데요. 반도체 8대 공정이 궁금할 때 언제든지 꺼내 볼 수 있는 여러분의 히든 카드가 되길 바랍니다.

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반도체 칩은 제품으로 출하되기 전 양품, 불량품을 선별하기 위한 테스트를 거치게 됩니다. 지난 시간에는 웨이퍼 완성 단계에서 이루어지는 테스트 ‘EDS 공정(Electrical Die Sorting)’에 대해 알아 봤는데요. 반도체 8대 공정 시리즈의 마지막으로 완벽한 반도체 제품으로 태어나기 위한 단계 ‘패키징(Packaging) 공정’에 대해 알아보겠습니다.

반도체를 외부환경으로부터 보호하고, 전기적으로 연결해주는 패키징 (Packaging) 공정

전공정을 통해 완성된 웨이퍼의 반도체 칩은 낱개로 하나하나 잘라내는데, 이렇게 잘린 칩을 베어칩(bare chip) 또는 다이(die)라고 합니다. 그러나 이 상태의 칩은 외부와 전기신호를 주고받을 수 없으며, 외부 충격에 의해 손상되기 쉬운데요. 반도체 칩, 즉 집적회로(IC)가 기판이나 전자기기에 장착되기 위해선 그에 맞는 포장이 필요합니다. 이와 같이 반도체 칩이 외부와 신호를 주고 받을 수 있도록 길을 만들어주고 다양한 외부환경으로부터 안전하게 보호받는 형태로 만드는 과정을 ‘패키징(Packaging)’이라고 합니다.

패키징은 집적회로와 전자기기를 연결하고 고온, 고습, 화학약품, 진동/충격 등의 외부환경으로부터 회로를 보호하기 위한 공정입니다. 그렇다면 이렇게 중요한 패키지 공정의 단계에 대해 알아볼까요?

1) 웨이퍼 절단

먼저, 웨이퍼를 낱개의 칩으로 분리해야 합니다. 웨이퍼에는 수백 개의 칩이 촘촘히 배열되어 있고, 각 칩은 스크라이브 라인(Scribe Line)으로 구분되어있는데요. 이 스크라이브 라인을 따라 웨이퍼를 다이아몬드 톱이나 레이저 광선을 이용해 절단합니다. 웨이퍼 절단 작업은 웨이퍼를 톱질하고 잘라낸다는 의미에서 ‘웨이퍼 소잉(Wafer Sawing)’이나, ‘다이싱(Dicing)’이라 불립니다.

2) 칩 접착(Die attach)

절단된 칩들은 리드프레임(Lead Frame) 또는 PCB(Printed Circuit Board) 위에 옮겨집니다. 리드프레임은 반도체 칩과 외부 회로 간 전기신호를 전달하고, 외부 환경으로부터 칩을 보호, 지지해주는 골격 역할을 합니다.

3) 금선 연결

반도체의 전기적 특성을 위해 기판 위에 올려진 반도체 칩의 접점과 기판의 접점을 가는 금선을 사용하여 연결하는 공정을 와이어본딩(Wire Bonding)이라고 합니다.

전통적인 와이어본딩 방식 외에 반도체의 속도를 향상시키기 위해 칩의 회로와 기판을 직접 볼 형태의 범프(Bump, 돌기)로 연결하는 패키징 방식도 있는데요. 플립칩(Flip Chip) 패키지라고 불리는 이 기술은 와이어본딩보다 전기 저항이 작고 속도가 빠르며, 작은 폼팩터(Form Factor) 구현을 가능하게 합니다. 범프의 소재로는 주로 금(Au) 또는 솔더(Solder, 주석/납/은 화합물)가 사용됩니다.

4) 성형(Molding) 공정

금속 연결 공정까지 끝나면 열, 습기 등의 물리적인 환경으로부터 반도체 집적회로를 보호하고, 원하는 형태의 패키지로 만들기 위한 성형(Molding) 공정을 거칩니다. 금선 연결까지 끝난 반도체 칩을 화학 수지로 밀봉하는 공정을 거치면 우리가 흔히 보는 반도체가 됩니다.

완벽한 반도체 제품을 위한 최종 관문, 패키지 테스트(Package Test)

드디어 일상 생활 속에서 만나볼 수 있는 반도체의 모습이 완성되었습니다. 패키징 공정이 완료되면 반도체 제품의 최종 불량유무를 선별하는 패키지 테스트(Package Test)를 시행합니다. 이 테스트는 완제품 형태를 갖춘 후에 검사를 진행하기 때문에 ‘파이널 테스트(Final Test)’라고도 하는데요.

패키지 테스트는 반도체를 검사장비(Tester)에 넣고 다양한 조건의 전압이나 전기신호, 온도, 습도 등을 가해 제품의 전기적 특성, 기능적 특성, 동작 속도 등을 측정합니다. 또한, 테스트 데이터를 분석해 제조공정이나 조립공정에 피드백함으로써 제품의 질을 개선하는 역할도 합니다.

‘8대공정’, ‘8대 공정’

지금까지 반도체가 탄생하기까지의 주요한 8대 공정을 살펴보았습니다. 실리콘 잉곳을 잘라 만든 원판형 웨이퍼가 손톱보다 작은 크기의 반도체가 되어 우리 생활에 쓰이기까지 복잡하고 세밀한 공정을 거친다는 것을 알 수 있었습니다.

보이지는 않지만 우리 삶 곳곳에 있는 반도체! 우리 삶을 더욱 풍요롭게 해줄 반도체 기술의 무궁무진한 발전을 기대해주세요.

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수많은 제조공정을 거친 반도체 칩은 마지막 절차인 테스트를 통해 양품, 불량품을 선별하게 됩니다. 반도체 제조과정에서는 다양한 테스트가 이루어지는데요. ▲웨이퍼 완성 단계에서 이루어지는 EDS공정(Electrical Die Sorting), ▲조립공정을 거친 패키지 상태에서 이루어지는 패키징공정(Pakaging), 그리고 ▲제품이 출하되기 전 소비자의 관점에서 실시되는 품질 테스트 등이 있습니다.

이번 시간에는 완벽한 반도체로 태어나기 위한 첫번째 관문 EDS공정에 대해 알아보겠습니다.

반도체 수율 향상과 직결된 EDS공정

EDS공정(Electrical Die Sorting)은 웨이퍼 위에 전자회로를 그리는 FAB 공정과 최종적인 제품의 형태를 갖추는 패키지 공정 사이에 진행됩니다. 즉 전기적 특성검사를 통해 개별 칩들이 원하는 품질 수준에 도달했는지를 확인하는 공정으로써 그 목적은 아래와 같습니다.

웨이퍼 상태 반도체 칩의 양품/불량품 선별
불량 칩 중 수선 가능한 칩의 양품화
FAB 공정 또는 설계에서 발견된 문제점의 수정
불량 칩을 미리 선별해 이후 진행되는 패키징공정 및 테스트 작업의 효율 향상

먼저 전기적 특성검사를 통해 각각의 칩들이 원하는 품질 수준에 도달하는지 체크합니다. 그 후 양품 가능 여부를 판단해 수선(Repair) 가능한 칩은 다시 양품으로 만들고, 불가능한 칩은 특정 표시(Inking)를 통해 불량으로 판정합니다. 불량으로 판정된 칩은 이후 공정에서 제외되어 효율을 높일 수 있습니다.

EDS공정은 반도체의 수율을 높이기 위해 반드시 필요한 공정입니다. 수율은 웨이퍼 한 장에 설계된 최대 칩(Chip) 개수 대비 생산된 양품(Prime Good) 칩의 개수를 백분율로 계산한 것으로, 반도체의 생산성과 직결됩니다.

EDS공정은 프로브 카드(Probe Card)에 웨이퍼를 접촉시켜 진행됩니다. 프로브 카드에 있는 수많은 미세한 핀(Pin)이 웨이퍼와 접촉해 전기를 보내고 그 신호를 통해 불량 칩을 선별하게 됩니다.

EDS공정의 4단계

EDS공정은 세분화된 여러 단계가 있지만, 크게 4단계로 나눌 수 있습니다.

1단계 – ET Test & WBI(Electrical Test & Wafer Burn In)
ET Test(Electrical Test)는 반도체 집적회로(IC) 동작에 필요한 개별소자들(트랜지스터, 저항, 캐패시터, 다이오드)에 대해 전기적 직류전압, 전류특성의 파라미터를 테스트하여 동작 여부를 판별하는 과정입니다. 반도체 칩(Chip)으로 행하는 첫 테스트라고 볼 수 있습니다.

이어지는 WBI공정(Wafer Burn In)은 웨이퍼에 일정 온도의 열을 가한 다음 AC(교류)/DC(직류) 전압을 가해 제품의 결합, 약한 부분 등 잠재적인 불량 요인을 찾아냅니다. 제품의 신뢰성을 효과적으로 향상시키는 공정입니다.

2단계 – Hot/Cold Test
Hot/Cold 공정에서는 전기적 신호를 통해 웨이퍼 상의 각각의 칩 중 불량품이 있는지 판정합니다. 수선 가능한 칩은 수선 공정에서 처리하도록 정보를 저장하는데요. 이때, 특정 온도에서 정상적으로 동작하는지 판별하기 위해 상온보다 높고 낮은 온도의 테스트가 병행됩니다.

3단계 – Repair / Final Test
Repair 공정은 EDS공정에서 가장 중요한 단계인데요.
Repair공정에서는 Hot/Cold 공정에서 수선 가능으로 판정된 칩들을 수선하고, 수선이 끝나면 Final Test 공정을 통해 수선이 제대로 이루어졌는지 재차 검증하여 양/불량을 최종 판단합니다

4단계 – Inking
Inking 공정은 불량 칩에 특수 잉크를 찍어 육안으로도 불량을 식별할 수 있도록 만드는 공정을 의미합니다. Hot/Cold Test공정에서 불량으로 판정된 칩, Final Test공정에서 재검증 결과 불량으로 처리된 칩, 그리고 웨이퍼에서 완성되지 않은 반도체 칩(Dummy Die) 등을 구별하는데요. 과거의 Inking 공정은 불량 칩에 직접 잉크를 찍었으나 현재는 Data만으로 양/불량을 판별할 수 있도록 처리하고 있습니다. 이렇게 처리된 불량 칩은 조립 작업을 진행하지 않기 때문에 조립 및 검사 공정에서 사용되는 원부자재, 설비, 시간, 인원 등의 손실 절감 효과가 있습니다.

Inking공정을 마친 웨이퍼는 건조(Bake)된 후, QC(Quality Control) 검사를 거쳐 조립공정으로 옮겨지게 됩니다.

완벽한 반도체를 위한 여정이 이제 얼마 남지 않았는데요. 다음 시간에는 반도체 칩을 기기에 탑재하기 적합한 형태로 만드는 패키징(Pakaging) 공정에 대해 알아보겠습니다.

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반도체는 전기가 통하는 ‘도체’와 전기가 통하지 않는 ‘부도체’의 특성을 모두 가지고 있습니다. 순수한 규소에 불순물을 넣는 이온주입공정(Ion Implantation)을 통해 전도성을 갖게 된 반도체는 필요에 따라 전기가 흐르게, 또는 흐르지 않게 조절할 수 있습니다.

포토, 식각, 이온주입, 증착 공정을 반복하면 웨이퍼 위에 수많은 반도체 회로가 만들어집니다. 이 회로가 동작하기 위해서는 외부에서 전기적 신호를 가해주어야 하는데요. 신호가 잘 전달되도록 반도체 회로 패턴에 따라 전기길(금속선)을 연결하는 작업을 금속 배선 공정이라고 합니다.

전기길을 연결하는 금속 배선 공정

금속 배선 공정은 전기가 잘 통하는 금속의 성질을 이용합니다. 반도체의 회로 패턴을 따라 금속선(Metal Line)을 이어주는 과정인데요. 하지만 금속 배선 공정에 모든 금속을 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 반도체에 들어가는 금속 재료는 다음과 같은 조건을 갖추어야 합니다.

위 조건을 충족시키는 대표적인 금속에는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등이 있습니다. 그렇다면 실제 금속 배선 공정은 어떻게 이루어질까요?

대표적인 반도체용 금속 배선 재료로는 알루미늄(Al)이 있습니다. 산화막(Silicon Dioxide)과의 부착성이 좋고 가공성이 뛰어나기 때문입니다.

하지만 알루미늄(Al)은 실리콘(Si)과 만나면 서로 섞이려는 성질을 가지고 있습니다. 이 때문에 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미늄 배선 과정에서 접합면이 파괴되는 현상이 생길 수 있습니다. 이러한 현상을 방지하기 위해 알루미늄과 웨이퍼 접합면 사이에 장벽(Barrier) 역할을 하는 금속을 증착하는데, 이를 베리어 메탈(Barrier Metal)이라고 합니다. 이중으로 박막을 형성해 접합면이 파괴되는 것을 막을 수 있습니다.

금속 배선 역시 증착을 통해 이루어집니다. 금속을 진공 챔버에 넣고 낮은 압력에서 끓이거나 전기적 충격을 주면 금속은 증기 상태가 됩니다. 이때 웨이퍼를 진공 챔버에 넣으면 얇은 금속막이 형성됩니다.

반도체 공정이 점점 미세화되며 반도체 공정은 꾸준한 연구 개발로 변화를 거듭하고 있습니다. 금속 배선 공정에서도 좁은 영역에 균일한 박막을 형성시키기 위해 화학적 기상증착(CVD)으로의 전환이 이루어지고 있습니다.

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지금까지 하나의 반도체를 만들기 위해 웨이퍼를 제조하고 회로 패턴을 설계해 가공하는 과정을 알려드렸습니다. 다음 시간에는 이러한 과정을 거쳐 완벽한 반도체 제품으로 탄생하기 위한 마지막 단계인 테스트와 패키지에 대해 살펴보겠습니다.

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사람의 손톱보다 작고 종이만큼 얇은 반도체 칩에는 미세하고 수많은 층(layer)이 존재합니다. 마치 고층 빌딩처럼 높고 견고하게 쌓여 복잡한 구조를 이루고 있는데요.

이러한 구조를 형성하기 위해서는 반도체의 원재료가 되는 단결정 실리콘(Si) 웨이퍼 위에 단계적으로 박막을 입히고 회로를 그려 넣는 포토공정을 거쳐 불필요한 부분을 선택적으로 제거하는 식각공정과 세정하는 과정을 여러 번 반복하게 됩니다.

이때 회로 간의 구분과 연결, 보호 역할을 하는 얇은 막을 박막(Thin film)이라고 합니다. 이번 시간에는 이런 박막을 만드는 증착공정과 반도체가 전기적인 특성을 갖도록 만드는 일련의 과정에 대해 살펴보겠습니다.

웨이퍼에 얇은 옷을 입히는 증착공정(deposition)

사전적 의미로 ‘박막(thin film)’이란 단순한 기계 가공으로는 실현 불가능한 1마이크로미터(μm, 100만 분의 1미터) 이하의 얇은 막을 뜻합니다. 웨이퍼 위에 원하는 분자 또는 원자 단위의 박막을 입히는 일련의 과정을 증착(Deposition)이라고 하는데요. 두께가 워낙 얇기 때문에 웨이퍼 위에 균일하게 박막을 형성하기 위해서는 정교하고 세밀한 기술력을 필요로 하죠.

증착의 방법은 크게 두 가지로 나뉘는데요. 물리적 기상증착방법(PVD, Physical Vapor Deposition)과 화학적 기상증착방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)입니다.

물리적 기상증착방법(PVD)는 금속 박막의 증착에 주로 사용되며 화학반응이 수반되지는 않습니다. 한편 화학적 기상증착방법(CVD)는 가스의 화학 반응으로 형성된 입자들을 외부 에너지가 부여된 수증기 형태로 쏘아 증착 시키는 방법인데요. 도체, 부도체, 반도체의 박막증착에 모두 사용될 수 있는 기술입니다.

현재 반도체 공정에서는 화학적 기상증착방법(CVD)를 주로 사용하고 있습니다. 화학적 기상증착방법(CVD)은 사용하는 외부 에너지에 따라 열 CVD, 플라즈마 CVD, 광 CVD로 세분화되는데요. 특히 플라즈마 CVD는 저온에서 형성이 가능하고 두께 균일도를 조절할 수 있으며 대량 처리가 가능하다는 장점 때문에 가장 많이 이용되고 있습니다.

증착공정을 통해 형성된 박막은 크게 회로들 간 전기적인 신호를 연결해주는 금속막(전도)층과 내부 연결층을 전기적으로 분리하거나 오염원으로부터 차단시켜주는 절연막층으로 구분됩니다.

웨이퍼를 반도체로 만드는 이온주입공정(Ion Implantation)

이때 반도체가 전기적인 성질을 가지게 하는 공정이 수반되어야 합니다. 전기가 통하는 도체와, 통하지 않는 부도체의 성질을 동시에 가진 반도체에서 이온주입공정(Ion Implantation)은 실리콘 웨이퍼에 반도체의 생명을 불어넣는 작업입니다. 순수한 반도체는 규소로 되어있어 전기가 통하지 않으나 불순물을 넣어줘 전류를 흐르게 하는 전도성을 갖게 되는 것이죠.

이때 불순물을 이온(Ion)이라고 하는데, 이온을 미세한 가스입자로 만들어 원하는 깊이만큼 웨이퍼 전면에 균일하게 넣어줍니다. 여기서 불순물로는 15족 원소 인(P), 비소(As), 13족 원소 붕소(B) 등을 사용하게 되는데요. 15족 원소를 주입하면 n형 반도체가 되고, 13족 원소를 주입하면 p형 반도체가 됩니다.

박막을 얼마나 얇고 균일하게 입혔느냐가 반도체의 품질을 좌우할 정도로 증착공정은 중요합니다. 미래에는 머리카락 수백만 분의 1 크기의 반도체 회로 구조가 전기적 성격을 가지도록 하기 위해, 더욱 얇고 균일하게 박막이 형성되도록 하는 증착기술이 필요할 것입니다.

‘8대 공정’, ‘8대공정’

다음 시간에는 산화, 포토, 식각, 증착공정을 통해 만든 소자들을 상호 연결하여 회로의 기능을 갖도록 하는 과정인 금속 배선 공정에 대해 알아보겠습니다.

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지난 시간에는 준비된 웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 포토공정(Photo)에 대해 소개해드렸는데요. 포토공정이 끝나면 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 공정이 필요합니다. 이번 시간에는 반도체의 구조를 형성하는 패턴을 만드는 식각공정(Etching)에 대해 알아보겠습니다.

동판화 에칭(Etching) 기법과 비슷한 식각공정

학창 시절, 미술시간에 한 번쯤 만들어봤던 ‘판화’는 회화의 한 장르인데요. 나무·금속·돌 등의 면에 형상을 그려 판을 만든 다음, 잉크나 물감을 칠하여 종이나 천에 인쇄하는 방식이죠. 식각공정은 이러한 판화 기법의 한 종류인 에칭(Etching)과 비슷한 원리를 가지고 있습니다.

회화에서 에칭 기법은 산의 화학작용을 방지하는 방식제(그라운드)를 바른 동판을 날카로운 도구를 이용하여 긁어내 동판을 노출시키는 과정을 말합니다. 이때 동판을 부식액(묽은 질산)에 넣고, 부식의 진행 정도를 조절하여 이미지를 만드는 것인데요.

부식과 같은 화학작용을 이용해 이미지를 만드는 판화의 에칭 기법처럼, 반도체 식각공정도 웨이퍼에 액체 또는 기체의 부식액(etchant)을 이용해 불필요한 부분을 선택적으로 제거한 후 반도체 회로 패턴을 만듭니다.

포토공정에서 형성된 감광액 부분을 남겨둔 채 나머지 부분을 부식액을 이용해 벗겨 냄으로써 회로를 형성하죠. 식각이 끝나면 감광액도 제거합니다. 이렇게 반도체를 구성하는 여러 층의 얇은 막에 원하는 회로 패턴을 형성하는 과정을 반복하는데요.

식각공정은 식각 반응을 일으키는 물질의 상태에 따라 습식(wet)과 건식(dry)으로 나뉩니다. 건식 식각(Dry Etching)은 반응성 기체, 이온 등을 이용해 특정 부위를 제거하는 방법이며, 습식 식각(Wet Etching)은 용액을 이용 화학적인 반응을 통해 식각하는 방법입니다.

건식은 습식에 비해 비용이 비싸고 방법이 까다로운 단점이 있으나, 최근에는 나노 단위로 고집적화되는 반도체 기술 변화에 따라 회로선폭 역시 미세해지고 있습니다. 이에 따라 수율을 높이기 위한 방법으로 습식(Wet)보다는 건식(Dry) 식각이 확대되고 있죠.

불필요한 부분을 선택적으로 없애는 건식 식각

그렇다면, 건식 식각(Dry etching)은 어떠한 방법을 통해 회로 패턴 이외에 불필요한 부분을 제거하는 것일까요?

건식 식각은 플라즈마(Plasma) 식각이라고도 합니다. 일반 대기압보다 낮은 압력인 진공 챔버(Chamber)에 가스를 주입한 후, 전기 에너지를 공급하여 플라즈마를 발생시키는데요. 플라즈마는 고체-액체-기체를 넘어선 물질의 제 4 상태로 많은 수의 자유전자, 이온, 중성의 원자 또는 분자로 구성되어 이온화된 기체를 말합니다. 이온화는 전기적으로 중성인 원자 또는 분자가 자신이 보유하고 있던 전자를 떼어 내거나 추가 확보함으로써, 양전하 또는 음전하 상태로 바뀌는 현상을 뜻하죠.

또한 플라즈마는 전기에너지에 의해 형성된 충분한 크기의 자기장이 기체에 가해질 때, 기체가 충돌하고 이온화됨으로써 발생하는데요. 즉, 자기장이 자유전자를 가속화시켜 높은 에너지를 가진 자유전자가 중성의 원자나 분자와 충돌하여 이온화를 일으키게 되는 것입니다.

이때 이온화에 의해 생성된 추가 전자도 연쇄 반응(Avalanche)에 의해 또 다른 이온화를 일으키면서 이온의 수가 기하급수적으로 늘어나게 됩니다. 이 상태를 바로 ‘플라즈마 상태’라고 하는데요. 플라즈마 상태에서 해리된 반응성 원자(Radical Atom)가 웨이퍼 위를 덮고 있는 막질 원자와 만나 강한 휘발성을 띠면서 표면에서 떨어져 나가게 됩니다. 이러한 반응을 통해 감광액(PR, Photo Resist) 보호막으로 가려져 있지 않은 막질은 제거되는 것이죠.

건식 식각 과정에서는 몇 가지 유의해야 할 사항들이 있습니다.

첫 번째는 균일도(Uniformity)를 유지하는 것인데요. 균일도란 식각이 이루어지는 속도가 웨이퍼 상의 여러 지점에서 ‘얼마나 동일한 가’를 의미합니다. 일정한 시간 동안 공정을 진행한 상태에서 웨이퍼의 부위에 따라 식각 속도가 다를 경우, 형성된 모양이 부위별로 다르게 되어 특정 부위에 위치한 칩에 불량이 발생하거나 특성이 달라지는 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.

두 번째는 식각 속도(Etch Rate)입니다. 이는 일정 시간 동안 막질을 얼마나 제거할 수 있는지를 의미하는데요. 식각 속도는 주로 표면 반응에 필요한 반응성 원자와 이온의 양, 이온이 가진 에너지에 의해서 변화합니다. 즉 이러한 인자의 조절 능력을 높여 전체적인 수율을 향상시키기 위해 노력하고 있는데요. 이 밖에도 선택비(Selectivity), 형상(Profile) 등이 건식 식각의 주요 인자로 중요하게 여겨지고 있습니다.

지금까지 반도체 회로 패턴을 완성하는 식각 공정(Etching)에 대해 알아봤습니다. 집적회로 기술의 산물인 반도체는 필요 물질의 박막(Thin Film)을 실리콘 기판 전면에 바른 후 남기고자 하는 모양에 보호층을 덮어 이외의 부분을 깎아내는 작업을 여러 번 반복해 제작되는데요. 이 모든 공정은 안전하게 설계된 장비 안에서 이루어지죠.

다음 시간에는 식각공정에 이어 반도체가 원하는 전기적 특성을 갖출 수 있도록 웨이퍼 위에 씌우는 얇은 막을 뜻하는 ‘박막(thin film)’공정에 대해 알아보도록 하겠습니다.

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지난 시간에 산화공정과 집적회로에 대해 소개해드렸는데요. 이번에는 웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 포토공정(Photo)에 대해 알아보려 합니다. 포토공정은 필름카메라로 사진을 찍는 원리와 비슷한데요. 어떻게 비슷한 지 알아볼까요?

흑백사진 인화와 비슷한 포토공정

흔히 포토 리소그래피(Photo Lithography)를 줄여서 포토공정(Photo)이라고 하는데요. 이 공정은 웨이퍼 위에 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 빛을 이용해 비춰 회로를 그리기 때문에 붙여진 이름입니다. 여기서 패턴을 형성하는 방법은 흑백 사진을 만들 때 필름에 형성된 상을 인화지에 인화하는 것과 유사합니다.

반도체는 집적도가 증가할수록 칩을 구성하는 단위 소자 역시 미세 공정을 사용해 작게 만들어야 하는데요. 미세 회로 패턴 구현 역시 전적으로 포토 공정에 의해 결정되기 때문에 집적도가 높아질수록 포토 공정 기술 또한 세심하고 높은 수준의 기술을 요하게 됩니다.

웨이퍼에 회로 패턴을 만드는 준비 단계

그럼 본격적으로 포토공정이 어떻게 이루어지는지 알아볼까요? 먼저 컴퓨터 시스템(CAD, computer-aided design)을 이용해 웨이퍼에 그려 넣을 회로를 설계합니다. 전자회로 패턴(Pattern)으로 설계되는 이 도면에 엔지니어들이 설계한 정밀회로를 담으며, 그 정밀도가 반도체의 집적도를 결정합니다.

사진 원판의 역할을 하는 포토마스크 만들기

설계된 회로 패턴(Pattern)은 순도가 높은 석영(Quartz)을 가공해서 만든 기판 위에 크롬(Cr)으로 미세 회로를 형상화해 포토마스크(Photo Mask)로 재탄생 하게 됩니다. 마스크(Mask)는 Reticle이라고도 부르는데, 이것은 회로 패턴을 고스란히 담은 필름으로 사진 원판의 기능을 하게 되는데요. 마스크는 보다 세밀한 패터닝(Patterning)을 위해 반도체 회로보다 크게 제작되며, 렌즈를 이용 빛을 축소해 조사하게 됩니다.

포토공정은 감광액 도포, 노광, 현상의 세부 공정으로 다시 나뉩니다. 포토공정을 더 자세히 알아볼까요?

본격 포토공정, 웨이퍼를 인화지로 만드는 감광액 도포

이제 웨이퍼에 그림을 그릴 준비가 됐습니다. 다음 단계는 웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액(PR, Photo Resist)을 골고루 바르는 작업인데요. 이 작업이 사진을 현상하는 것과 같이 웨이퍼를 인화지로 만들어줍니다. 보다 고품질의 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광액(PR) 막이 얇고 균일해야 하며 빛에 대한 감도가 높아야 하죠.

빛을 통해 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 노광

감광액(PR) 막을 형성해 웨이퍼를 사진 인화지와 비슷한 상태로 만든 후에는 노광장비(Stepper)를 사용해 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 찍어냅니다. 이 과정을 노광(Stepper Exposure)이라고 하는데요. 반도체 공정에서의 노광은 빛을 선택적으로 조사하는 과정을 말합니다.

회로 패턴을 형성하는 현상 공정

포토공정(Photo)의 마지막 단계는 현상(Develop)으로 일반 사진을 현상하는 과정과 동일합니다. 이 과정에서 패턴의 형상이 결정되기 때문에 매우 중요한데요. 현상(Develop) 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광된 영역과 노광 되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 형성하는 공정입니다.

웨이퍼 위에 균일하게 입혀진 감광액(PR)은 빛에 어떻게 반응하는가에 따라 양성(positive) 혹은 음성(negative)로 분류됩니다. 양성 감광액의 경우 노광 되지 않은 영역을 남기고 음성 감광액의 경우 노광된 영역만 남겨 사용하게 되는데요.

현상 공정까지 마치게 되면 모든 포토공정이 끝나는데요. 각종 측정 장비와 광학 현미경 등을 통해 패턴이 잘 그려졌는지 꼼꼼하게 검사한 후, 이를 통과한 웨이퍼만이 다음 공정 단계로 이동합니다.

지금까지 웨이퍼 표면에 세밀한 회로 패턴을 찍는 포토공정에 대해 알아보았는데요. 다음 시간에는 웨이퍼에 회로 패턴을 만들기 위해 필요한 부분을 남기고, 필요 없는 부분을 선택적으로 깎아내는 식각공정에 대해 소개하겠습니다.

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반도체의 핵심 재료인 웨이퍼에 산화막(SiO₂)을 형성해 표면을 불순물로부터 보호하는 ‘산화공정’을 거친 다음에는 반도체 설계 회로를 그려 넣을 차례입니다. 손톱만큼 작고 얇은 반도체의 회로는 어떻게 구성돼 있을까요? 이번 시간에는 집적회로(IC, Integrated Circuit)가 무엇인지 알아보려고 합니다.

작은 반도체 칩 안에는 수천 개에서 수백만 개 이상의 전자 부품들(다이오드, 트랜지스터, 캐패시터, 저항)이 빼곡하게 채워져 있는데요. 이런 반도체 집적회로는 어떻게 탄생했을까요?

진화의 시작을 알린 트랜지스터

1947년, 미국 최대 전화 통신 회사 AT&T(American Telephone & Telegraph)의 중앙연구소인 벨 연구소 연구원들은 반도체 격자구조의 조각에 도체선(전기가 흐르는데 사용되는 선)을 접촉시키면 전기 신호가 증폭한다는 사실을 발견합니다.

당시 이것은 증폭기(Amplifier)라는 이름으로 불리다가 나중에 트랜지스터(Transistor)로 알려지게 됐죠.

그 후 트랜지스터는 전자제품의 핵심 부품으로 자리 잡게 됩니다. 하지만 기술이 발전할수록 전자제품의 기능이 많아지면서 트랜지스터와 저항, 다이오드, 캐패시터 등 연결해 주어야 하는 부분이 기하급수적으로 증가하게 되었습니다. 이런 연결점들이 제품을 고장 내는 주원인이 됐는데요.

1958년 美 텍사스 인스트루먼트(TI)의 기술자 잭 킬비(Jack Kilby)에 의해 문제를 해결해주는 방법이 개발됐습니다. 복잡한 전자 부품들을 정밀하게 만들어 작은 평면에 인쇄하듯 찍어내 차곡차곡 쌓는 것입니다. 그렇게 탄생한 것이 집적회로(IC)입니다.

전자산업의 혁명, 집적회로(IC, integrated Circuit)

반도체 집적회로(IC)를 가득 채우고 있는 트랜지스터, 저항, 다이오드, 캐패시터 등의 부품들은 서로 연결돼 전기 신호를 연산하고 저장합니다.

조금 더 자세히 각 부품의 역할을 살펴볼까요? 트랜지스터는 전원을 켜고 끄는 스위치 역할을, 캐패시터는 전하를 충전해 보관하는 창고 역할을, 저항은 전류의 흐름을 조절하며 다이오드는 신호를 고르게 전하는 역할을 합니다.

반도체 집적회로의 제조 방법은 회로 소자들을 모두 미세하고 복잡한 패턴(Pattern)으로 만들어 여러 층의 재료 속에 그려 넣는 방식입니다. 미세한 회로를 손으로 그려넣는 것은 불가능하기에 사진을 찍는 방식을 활용하게 되는데요. 이 내용은 4탄 포토공정에서 소개됩니다.

이렇듯 집적회로(IC)가 개발되면서 반도체 산업은 더욱 발전하게 되는데요. 각 전자 부품들을 직접 연결하는 방식에서 집적회로로 변화됨으로써 제품의 크기가 작아져 적은 소비전력으로 빠른 정보 처리가 가능하게 되었습니다. 또한 사진을 찍는 방식으로 제작되기에 대량 생산이 가능하고 신뢰도도 높아졌습니다.

특히 1960년에는 벨 연구소의 연구원이었던 한국인 공학자 고 강대원 박사와 마틴 아탈라가 ‘금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)’를 개발하면서 집적회로가 빛을 발하게 됩니다.

제조가 까다롭고 전력 소모가 컸던 양방향 접합형 트랜지스터 (Bipolar Junction Transistor)의 문제점을 MOS-FET 개발을 통해 해결할 수 있게 된 것입니다.

트랜지스터에서 집적회로(IC), MOS-FET까지, 이쯤 되면 반도체 60년의 역사와 함께 앞으로 변화하게 될 미래의 모습 또한 기대 되지 않으신가요? 4탄에서는 이렇게 세밀한 설계 회로가 웨이퍼 위에 어떻게 그려지는지 소개해드리겠습니다.

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알고 보면 현대인들이 물이나 공기만큼 자주 접하는 반도체. 우리 삶과 밀접하게 연결되어 있는 반도체가 어떻게 만들어지는지 알아보는 8대 공정 시간입니다. 지난 시간에는 그 첫 이야기로 웨이퍼(Wafer)의 제조에 대해 알아봤는데요.

이번에는 반도체 8대 공정의 두 번째 시간, 산화공정(Oxidation)에 대해 자세히 알아보겠습니다.

웨이퍼의 보호막과 절연막 역할을 하는 ‘산화막(SiO₂)’

모래에서 추출한 실리콘을 반도체 집적회로의 원재료로 탄생시키기 위해서는 일련의 정제 과정을 통해 잉곳(Ingot)이라고 불리는 실리콘 기둥을 만듭니다. 이 실리콘 기둥을 균일한 두께로 절단한 후 연마의 과정을 거쳐 반도체의 기반이 되는 웨이퍼를 만드는데요.

이렇게 만들어진 얇고 둥근 판 모양의 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태입니다. 그래서 도체와 부도체의 성격을 모두 가진 ‘반도체’의 성질을 가질 수 있도록 만드는 작업이 필요한데요. 이를 위해 웨이퍼 위에 여러 가지 물질을 형성시킨 후 설계된 회로 모양대로 깎고, 다시 물질을 입혀 깎아내는 일이 반복되죠.

이 모든 공정의 가장 기초적인 단계가 산화공정입니다. 산화공정을 거치는 이유는 웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막(SiO₂)을 형성해 회로와 회로사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단하기 위해서 입니다. 산화막은 또한 이온주입공정에서 확산 방지막 역할을 하고, 식각공정에서는 필요한 부분이 잘못 식각되는 것을 막는 식각 방지막 역할도 합니다.

즉, 산화공정을 통해 형성된 산화막이 반도체 제조과정에서 든든한 보호막 역할을 하는 건데요. 미세한 공정을 다루는 반도체 제조과정에서는 아주 작은 불순물도 집적회로의 전기적 특성에 치명적인 영향을 미치기 때문입니다.

그렇다면 이렇게 든든한 보호막 역할을 하는 산화막은 어떻게 형성되는 것일까요?

웨이퍼는 대기 중 혹은 화학물질 내에서 산소에 노출되면 산화막을 형성하게 되는데요. 이는 철(Fe)이 대기에 노출되면 산화되어 녹이 스는 것과 같은 이치입니다.

웨이퍼에 막을 입히는 산화공정의 방법에는 열을 통한 열산화(Thermal Oxidation), 플라즈마 보강 화학적 기상 증착(PECVD), 전기 화학적 양극 처리 등 여러 종류가 있습니다. 그 중 가장 보편적인 방법은 800~1,200℃의 고온에서 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성시키는 열산화 방법입니다.

열산화 방법은 산화반응에 사용되는 기체에 따라 건식산화(Dry Oxidation)와 습식산화(Wet Oxidation)로 나뉘는데요. 건식산화는 순수한 산소(O₂)만을 이용하기 때문에 산화막 성장속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰이며, 전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있습니다. 습식 산화는 산소(O₂)와 함께 용해도가 큰 수증기(H₂O)를 함께 사용하기 때문에 산화막 성장속도가 빠르고 보다 두꺼운 막을 형성할 수 있지만, 건식 산화에 비해 산화층의 밀도가 낮습니다. 보통 동일한 온도와 시간에서 습식산화를 통해 얻어진 산화막은 건식산화를 사용한 것보다 약 5~10배 정도 더 두껍습니다.

지금까지 웨이퍼의 표면을 보호해주는 산화막의 형성 과정과 그 역할에 대해 알아보았는데요. 다음 시간에는 산화막이 형성된 반도체 위에 어떻게 반도체 설계 회로를 그려 넣는지에 대해 소개할 예정이니 많은 기대 바랍니다.

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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!

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■ 외부환경으로부터 보호하고 단자 간 연결을 위한 전기적인 포장, 패키징(Packaging)

일반적으로 패키징(Packaging)이란 ‘상자에 채워 형태를 정리한다’는 사전적 의미를 갖고 있습니다. 하지만 반도체에서 패키징은 ‘반도체 칩을 탑재될 기기에 적합한 형태로 만든다’는 의미로 사용됩니다.

이 반도체 칩, 즉 집적회로(IC)는 기판이나 전자기기의 구성품으로서 필요한 위치에 장착되기 때문에, 그에 맞는 모양으로 전기적인 포장(Packaging)을 해야 합니다.

예를 들어, IT제품을 사람의 신체에 비유하면, 집적회로(IC)는 두뇌에 해당하고, 패키징은 ‘신경계통’과 ‘골격구조’에 해당 한다고 볼 수 있습니다.

즉 패키징은 상호배선, 전력공급, 방열, 그리고 집적회로(IC) 보호와 같은 역할을 합니다. 특히, 집적회로는 고온, 고습, 화학약품, 진동/충격 등 다양한 외부환경으로부터 안전하게 보호될 수 있도록 패키징 되어야 합니다.

자 그러면, 패키징 공정이 어떻게 이루어지는지 함께 알아 볼까요?

먼저, EDS Test의 Inking 공정(불량제품 식별을 위해 칩에 특수잉크를 찍는 공정)을 거친 웨이퍼를 다이아몬드 절단기로 잘라 낱개의 칩으로 분리합니다. 절단된 칩들은 리드 프레임(Lead Frame) 또는 PCB (Printed Circuit) 위에 올려 전기적 연결 구실을 할 BALL을 달게 되는데요,

여기서, 리드 프레임은 반도체 칩과 실리콘 기판 사이 전기신호를 전달하고, 외부의 습기나 충격 등으로부터 칩을 보호 및 지지해 주는 골격 역할을 합니다.

그렇다면, 반도체 칩과 리드 프레임은 어떻게 연결될까요?

혹시 뉴스에 반도체 소식이 보도될 때, 기판 위 올려진 칩들 사이사이로 설비가 빠르게 움직이며 선을 연결하는 장면을 기억하시나요? 이 장면이 바로, 금속 연결(Wire Bonding) 공정인데요, 금속 연결(Wire Bonding) 공정은 반도체 칩의 접착점과 리드프레임 간 전기적 특성을 위하여 가는 금선을 사용하여 연결하는 공정입니다.

금속 연결 공정까지 끝나면 열 및 습기 등의 물리적인 환경으로부터 반도체 집적회로를 보호하고, 원하는 형태의 패키지로 만들기 위해 성형(Molding) 공정 을 거칩니다. 성형은 수지(Resin)로 구성된 EMC(Epoxy Molding Compound)에 고온을 가해 젤 상태로 만든 후, 원하는 형태의 틀에 넣어 진행합니다.

이제 여러분이 일상에서 만나는 반도체의 모습이 완성되었습니다.

■ 견뎌야 비로소 생활 속 제품이 되리라! 최종 관문이라 불리는 패키지 테스트(Package Test)

패키징 공정이 완료되면, 이 패키지가 올바른 기능을 하는지 확인해야합니다. 즉, 패키지 테스트(Package Test)는 패키지 형태로 만들어진 제품의 최종 불량유무를 선별하는 검사(Test)입니다.

이 테스트는 완제품 형태를 갖춘 후, 검사가 진행되기 때문에 Final Test라고도 하는데요, 패키지 테스트는 반도체를 검사장비(Tester)에 넣고 다양한 조건의 전압이나 전기신호, 온도 등을 가해 제품의 전기적 특성, 기능적 특성, 동작 속도 등을 측정하여 불량유무를 구별합니다.

또한, 테스트 중 발생하는 데이터를 수집·분석해 그 결과를 제조공정이나 조립공정에 피드백해 제품의 질을 개선하는 역할을 하기도 합니다.

반도체는 각 제품별로 그에 적합한 패키지 테스트를 거치는데요, 메모리 제품인 DRAM을 기준으로 패키지 테스트 과정을 살펴보겠습니다.

이렇게 패키지 테스트(Package Test)까지 완료된 반도체는 비로소 고유의 이름을 갖게 됩니다. 제품 표면에 인쇄되는 고유이름에는 IC의 명칭, 제조일, 제품의 특성, 제조 국가, 일련번호 등 제품에 대한 이력이 담겨 있습니다.

이제 완료된 제품은 비즈니스 및 고객사의 요구조건에 따라 출하 방식이 결정되는데요, 이 때, 제품의 품질(Quality)을 보증하기 위해 최종적으로 출하 검사가 실시되어 합격을 받은 제품만이 출하되는 것이죠!

자 어떠신가요? 주변을 둘러보세요. 정말 우리 생활에서 반도체는 IT 제품뿐 아니라 다양한 곳에서 손쉽게 찾아볼 수 있습니다. 실리콘으로 된 규소봉에서 추출한 원판형 웨이퍼가 손톱보다 작은 크기의 반도체가 되어 우리 곁에 오기까지, 복잡하고 세밀한 많은 공정을 거치는 것을 알 수 있었습니다.

많은 사람의 삶에서 중요한 역할을 하는 반도체, 앞으로 우리의 삶을 더 행복하고 풍요롭게 해줄 반도체의 무궁 무진한 앞날을 기대해봅니다.

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☞ 반도체 8대 공정 4탄. 웨이퍼에 한 폭의 세밀화를 그려 넣는 포토공정(Photo)
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☞ 반도체 8대 공정 7탄. 전기를 통하게 하는 마지막 작업, 금속 배선 공정
☞ 반도체 8대 공정 8탄. 합격으로 가는 첫 번째 관문 EDS(Electrical Die Sorting)

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여러분, 수율(Yield)이란 단어를 아시나요? 웨이퍼 한 장에 설계된 최대 칩(Chip)의 개수와 실제 생산된 정상(Prime Good) 칩의 개수를 백분율로 계산한 것인데요.

수율이 높을수록 생산성이 높단 의미이므로 반도체 생산라인에서는 수율을 높이는 것이 중요합니다. 높은 수율을 얻기 위해서는 반도체가 생산되는 클린룸의 청정도나 공정장비의 정확도, 공정조건 등 여러 제반사항이 뒷받침 되어야 이루어 질 수 있습니다.

수 많은 제조공정을 거친 반도체 칩은 적절한 테스트(Test)를 통해 양, 불량을 선별하게 됩니다. 반도체 제조과정에서 진행되는 테스트(Test)에는 웨이퍼 완성 단계에서 이루어지는 EDS Test, 조립 공정을 거쳐 패키지(Package)화 된 상태에서 이루어지는 Packaging Test, 그리고 출하되기 전 소비자의 관점에서 실시되는 품질 Test 등이 있습니다.

이번에는 웨이퍼 상태에서 개별 칩이 양품인지 불량품인지를 선별해 내는 첫번째 관문! EDS Test에 대해 알아보도록 하겠습니다.

■ 반도체 공정의 수율(Yield)을 높이는 데 반드시 필요한 EDS Test

EDS Test는 Electrical Die Sorting의 약자로, 전기적 특성검사를 통해 웨이퍼 상태인 각각의 칩들이 원하는 품질 수준에 도달하는 지를 체크하는 것에서 시작 됩니다. 그 후, 양품이 될 가능여부를 판단하여 수선(Repair)이 가능한 칩은 다시 양품으로 만들고, 불가능한 칩은 특정한 표시(Inking)를 통해 불량으로 판정하고, 다음 공정에서 더 이상 작업을 진행하지 않도록 합니다.

이 뿐만 아니라, 반도체 공정에서 EDS Test를 반드시 실행해야 하는 이유는 웨이퍼 제조 공정상의 문제점이나 설계상의 문제점을 조기에 발견하여 공정 및 설계 팀에 피드백을 줄 수 있기 때문입니다.

이러한 EDS Test는 단일 과정이 아닌 세분화된 여러 단계를 거치게 되는데요, 과연 어떤 과정으로 이루어지는지 본격적으로 EDS Test에 대해 알아보겠습니다. EDS Test는 다음과 같이 크게 5단계로 이루어집니다.

1) ET Test & WBI (Electrical Test & Wafer Burn In)

ET Test는 반도체 제조공정 중 중요한 단위공정으로 반도체 집적회로(IC) 동작에 필요한 개별소자들(트랜지스터, 저항, 캐패시터, 다이오드)에 대해 전기적 직류전압, 전류특성의 파라미터를 테스트하여 작동여부를 판별하는 과정인데요, 반도체 칩(Chip)으로 행하는 첫 Test 공정이라고 보시면 됩니다.  

이어지는 WBI(Wafer Burn In) 공정은 제품 초기에 발생하는 높은 불량률을 효과적으로 제거하기 위한 목적으로 실행합니다. 웨이퍼에 일정온도의 열을 가한 다음 AC/DC 전압을 가해 제품의 약한 부분, 결함 부분 등 잠재적인 불량 요인을 찾아내 제품의 신뢰성을 향상시키는 공정입니다.

2) Pre-Laser (Hot/Cold)

이 공정에서는 전기적 신호를 통해 웨이퍼 상의 각각의 칩들이 정상인지 이상이 있는지를 판정하고, 수선이 가능한 칩은 수선 공정에서 처리하도록 정보를 저장합니다. 이 때, 특정 온도에서 발생하는 불량을 잡아내기 위해 상온보다 높은/낮은 온도에 따른 테스트가 병행됩니다.

3) Laser Repair & Post Laser 

이는 앞서 진행된 Pre-Laser 공정에서 불량이 발생하였지만, 수선이 가능한 것으로 판정된 칩들을 모아 Laser Beam을 이용해 수선하는 공정으로 EDS Test 가운데 중요한 공정입니다. 수선이 끝나고 나면 Post Laser 공정을 통해 수선이 제대로 이루어졌는지 재차 검증합니다.

4) Tape Laminate & Back Grinding

Tape Laminate 공정과 Back Grinding 공정은 교통카드나 여권에 들어가는 IC 카드를 비롯해 두께가 얇은 제품을 조립 할 때 필요한 공정입니다. 웨이퍼 후면을 미세한 다이아몬드 입자로 구성된 연마 wheel로 갈아 칩의 두께를 얇게 함으로써 조립을 용이하게 하는데 그 목적이 있습니다. 이 때, 발생하는 다량의 실리콘 잔여물(Dust) 및 파티클(Particle)로부터 웨이퍼 패턴 표면을 보호하기 위해 전면에 자외선(UV) 테잎을 씌워 보호막을 형성하는 것이 바로 Tape Laminate 공정입니다. Grinding 이 끝나면 패턴 면을 보호하기 위해 붙여 놓은 테잎은 다시 벗겨 내게 됩니다.

5) Inking 

Inking 공정은 Pre Laser 및 Post Laser에서 발생된 불량 칩에 특수 잉크를 찍어 육안으로도 불량 칩을 식별할 수 있도록 만드는 공정인데요, Inking 과정을 거치고 나면 조립 과정에서 잉크가 찍힌 불량 칩에 대해서는 조립을 진행하지 않아도 되므로 조립 및 검사 공정에서 사용되는 원부자재 및 설비, 시간, 인원 등의 손실 절감 효과가 있습니다.

또한 Pre Laser에서 불량으로 판정된 칩과 Post Laser 공정에서 다시금 검증하여 불량으로 처리된 칩, 그리고 웨이퍼 내에서 완성되지 않은 Dummy die의 경우에도 Inking 공정을 통해 구분될 수 있도록 표시합니다. Inking 공정까지 끝난 웨이퍼는 건조된 다음 QC Gate의 최종검사를 거쳐 조립 공정으로 옮겨지게 됩니다. 

다음에는 8대공정이 완료된 반도체를 외부 환경으로부터 보호해 각 제품별 고유 특성을 극대화 시키는데 없어서는 안될 패키징(Packaging) 공정에 대해 알아보도록 하겠습니다.

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이러한 성질을 적절히 이용하여 여러 가지 전기적 특성을 가진 기본 소자들을 만들게 됩니다. 그런데 이 기본 소자들을 동작시키기 위해서는 외부에서 에너지원인 전기적 신호를 가해 주어야 하는데요, 예를 들어, 케이블TV를 시청하기 위해서는 콘센트에 전원코드를 꽂고, 신호 케이블을 단자함에 연결해야 하는 것과 같습니다. 우리가 쓰는 반도체 제품에는 수 많은 기본 소자가 들어 있는데, 이 소자들을 동작시키고 각각의 신호가 섞이지 않고, 잘 전달되도록 선을 연결하는 작업을 금속 배선 공정(Metal interconnect)이라고 합니다. 이번 시간에는 이에 대해 알아보도록 하겠습니다.

■ 금속으로 통하였느냐? 반도체로 거듭나기 위한 마지막 공정, 금속 배선 공정

금속 배선 공정(Metal Interconnect)이란, 말 그대로 전기가 잘 통하는 금속의 성질을 이용합니다. 반도체의 회로패턴을 따라 전기길, 즉 금속선(Metal Line)을 이어 주는 과정을 금속 배선 공정이라고 합니다.

그렇다면 모든 종류의 금속들이 반도체의 금속 배선 공정에 사용될까요? 반도체에 들어가는 금속 재료는 다음과 같은 필요조건을 만족해야 합니다.

위의 조건을 충족시키며, 반도체 제조 공정에 쓰이는 대표적인 금속에는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등이 있습니다. 그럼, 실제 금속 배선 공정(Metal Interconnect)은 어떻게 이루어지는지 알아보도록 하겠습니다.

■ 반도체용 금속 배선 재료의 대표주자, 알루미늄(Al)과 텅스텐(W)

대표적인 반도체용 금속 배선 재료인 알루미늄(Al)은 실리콘 산화막(Silicon Dioxide)과 부착성도 좋고 가공성도 뛰어나다는 장점이 있습니다.

그러나, 알루미늄(Al)과 실리콘(Si)이 만나면 계면에서 섞이려는 성질이 있는데요, 이 때문에 실리콘으로 만들어진 반도체 웨이퍼의 경우, 알루미늄 배선 공정에서 접합면이 파괴되는 현상이 생길 수 있습니다. 이러한 현상을 방지하기 위해 두 접합면 사이 장벽(Barrier)에 해당하는 금속을 증착하는 과정이 더해지게 되는데, 이를 베리어 메탈(Barrier Metal)이라고 합니다. 이는 이중으로 박막을 형성해 접합면이 파괴되는 것을 막습니다.

이 후 알루미늄 배선은 증착을 통해 이루어지는데, 알루미늄 괴를 진공 챔버에 넣어 감압 하에서 끓이면 알루미늄이 입자상태로 진공 챔버 안이 가득 채워집니다. 이 때, 웨이퍼를 진공 챔버에 넣어 통과시키면 알루미늄의 입자가 박막을 형성해 부착되게 됩니다. 고진공 상태에서 알루미늄을 증기화하여 부착시키기 때문에 이 공정을 진공증착(evaporator)이라고 합니다. 근래에는 플라즈마를 이용한 물리적 기상 증착 방법 (sputtering)도 많이 사용하고 있습니다.

기본 소자와 금속 배선의 연결 부분을 접점(contact)이라고 하는데요, 접점의 크기가 작아서 좁은 hole 형상을 가지게 되면 좁은 공간을 금속으로 채우기가 어려워 집니다. 이럴 경우, 알루미늄 보다는 텅스텐을 많이 사용하는데요, 이 때 보다 균일하게 박막을 형성해 부착시키기 위해 진공증착 보다는 화학적 기상증착 방법(CVD)을 통해 금속 배선 공정이 이루어지게 됩니다.

반도체 산업이 발전함에 따라 8대 공정 역시 꾸준한 연구 및 개발로 변화를 거듭하고 있습니다. 이번 시간에 소개해 드린 금속 배선 공정(Metal interconnect) 역시 반도체의 크기가 점차 작아짐에 따라 좁은 영역에도 금속을 잘 채우기 위해, 진공증착 (evaporator)에서 화학적 기상 증착(CVD)으로 전환이 이루어지고 있습니다. 또한, 최근에는 이전의 도전재료(Al, W)보다 가격은 저렴하고 전도성은 더욱 우수한 구리(Cu)가 첨단 메모리, CPU 및 Logic 제품에 상용화되고 있습니다.

지금까지 하나의 반도체를 만들기 위해 웨이퍼를 제조하고, 회로 패턴을 설계해 웨이퍼에 가공하는 복잡한 과정을 알려 드렸습니다. 다음 시간은 반도체 제조 공정의 마지막 단계로 하나의 완벽한 반도체 제품으로 탄생하기 위한 마지막 단계인 TEST와 PACKAGE 과정을 소개해 드리겠습니다.

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사람의 손톱보다 작고 얇은 반도체 칩을 수직으로 잘라 고배율 전자현미경을 통해 들여다 보면 상상할 수 없을 만큼 미세하고 수 많은 층(layer)이 마치 고층 빌딩처럼 높다랗고 견고하게 쌓여 있는 것을 발견하실 수 있습니다.

이러한 구조를 형성하기 위해서는 반도체의 원재료가 되는 단결정 실리콘(Si) 웨이퍼 위에 단계적으로 박막을 입히고 회로 패턴을 그려 넣은(포토공정) 다음, 불필요한 부분을 선택적으로 제거(식각공정)하고 세정하는 과정을 여러 번 반복 하게 되는데요.

이번 시간에는 식각 공정(Etching)에 이어 ‘얇은 막’을 뜻하는, ‘박막(thin film)’공정에 대해 알아보고 이후 반도체가 전기적 특성을 갖도록 만드는 과정에 대해 살펴 보도록 하겠습니다.

■ 얇아도 너~무 얇다! 눈 뜨고도 볼 수 없는 두께의 얇은 막, 박막(thin film)

흔히 사전적 의미로 ‘박막(thin film)’이란, 기계가공으로는 실현 불가능한 두께인 1마이크로미터(μm, 100만분의 1미터) 이하의 엷은 막이라고 정의되어 있습니다.

반도체 공정에서는 반도체가 원하는 전기적인 특성을 갖도록 하기 위해 분자 또는 원자 단위의 물질을 박막의 두께로 촘촘히 쌓게 됩니다. 워낙 두께가 얇기 때문에 웨이퍼 위에 균일하게 박막을 형성시키는 데에는 정교하고 세밀한 기술력이 필요합니다.

예를 들어, 8인치 크기의 웨이퍼(반경 100mm)에 두께가 1마이크로미터(μm)의 박막을 씌운다고 가정해 보겠습니다. 이는 곧 반경 100m크기의 대운동장에 모래를 1mm 이하의 두께로 균일하게 쌓는 것과 같은 수준이니 박막을 씌우는 일이 얼마나 고난이도 기술력이 필요한 작업인지 감이 오시나요?

■ 화학반응을 통해 웨이퍼에 곱게 화장을 하는 증착 공정(deposition)

웨이퍼 위에 원하는 분자 또는 원자 단위의 물질을 박막의 두께로 입혀 전기적인 특성을 갖게 하는 일련의 과정을 증착(Deposition)이라고 합니다.

증착의 방법은 크게 물리적 기상증착방법(PVD, Physical Vapor Deposition)과 화학적 기상증착방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)으로 나뉘게 되는데요.

물리적 기상증착방법(PVD)은 금속 박막의 증착에 주로 사용되며 화학반응이 수반되지는 않습니다.

화학적 기상증착방법(CVD)은 가스의 화학 반응으로 형성된 입자들을 외부 에너지가 부여된 수증기 형태로 쏘아 증착시키는 방법으로 도체, 부도체, 반도체의 박막증착에 모두 사용될 수 있는 기술입니다.

이러한 이유로 현재 반도체 공정에서는 화학적 기상증착방법(CVD)을 주로 사용하고 있습니다. 화학적 기상증착방법(CVD)은 사용하는 외부 에너지에 따라 열 CVD, 플라즈마 CVD, 광CVD 등으로 세분화 되는데요, 특히 플라즈마 CVD의 경우, 다른 CVD에 비해 저온에서 형성이 가능하고 두께 균일도를 조절할 수 있으며 대량 처리가 가능하다는 장점 덕분에 최근에 가장 많이 이용되고 있습니다.

증착 공정을 통해 형성된 박막은 크게 회로들 간 전기적인 신호를 연결해 주는 금속막(전도)층과 내부 연결층을 전기적으로 분리하거나 오염원으로부터 차단시켜주는 절연막층으로 구분됩니다.

그런데, 반도체가 전기적인 성질을 가지게 되려면 증착막에 이온을 주입하는 공정이 수반되어야 합니다. 이온주입 공정(Ion implantation)은 말 그대로 반도체에 전기적 성질을 띠는 입자를 회로패턴과 연결된 부분에 주입시키는 공정입니다. 이 때 이온이라 함은 붕소(B), 인(P), 비소(As) 등과 같은 불순물을 일컫는데요, 불순물을 미세한 가스입자로 만들어 원하는 깊이만큼 웨이퍼 전면에 균일하게 넣어줌으로써 일정한 전도성을 갖도록 만드는 과정입니다. 이러한 불순물 주입은 고온의 전기로 속에서 입자를 웨이퍼 내부로 확산시켜 주입하는 디퓨전(Diffusion) 공정에서도 다뤄진 바 있습니다.

지금까지 화학반응을 이용해 균일한 표면을 만드는 증착 공정과 불순물을 주입하는 이온주입 공정을 통해 부도체인 실리콘 웨이퍼가 전기적 성질을 가지는 반도체로 재탄생하는 과정에 대해 설명해 드렸습니다.

증착 공정은 박막을 얼마나 얇고 균일하게 입혔느냐가 반도체의 품질을 좌우할 정도로 중요한 공정입니다. 앞으로 미래에는 머리카락 수백만 분의 1 크기의 반도체 회로구조가 전기적 성격을 가지기 위해 더 얇고 균일하게 박막이 형성되는 증착 기술이 필요할 것으로 보입니다.

나노미터(nm, 10억분의 1미터) 크기보다 더 미세한 선폭의 공정이 주도하는 차세대 반도체 시대에도 더욱 진화하고 발전한 기술을 선도할 삼성전자의 활약을 기대해 봅니다.

‘8대 공정’, ‘8대공정’

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☞ 반도체 8대 공정 7탄. 전기를 통하게 하는 마지막 작업, 금속 배선 공정
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■ 부식작용을 이용하는 동판화 에칭(Etching)기법과 흡사한 식각공정

학창시절, 미술시간에 한 번쯤 만들어 보았던 판화를 기억하시나요? 판화는 나무·금속·돌 등의 면에 형상을 그려 판을 만든 다음, 잉크나 물감 등을 칠하여 인쇄하는 회화의 한 장르인데요, 식각공정은 판화 기법의 한 종류인 에칭(Etching)기법과 매우 비슷한 원리를 가지고 있습니다.

‘빛과 어둠의 화가’로 알려져 있는 렘브란트나 18세기 말 천재화가 고야의 작품에는 정교하고 세밀한 선을 살린 에칭기법을 활용한 판화들이 많은데요, 간단히 말해 에칭기법은 부식을 방지하는 그라운드를 바른 동판에 날카로운 도구(송곳, 니들, 바늘 등)로 긁어내어 판을 노출시킨 후 부식액(묽은 질산)에 넣어 부식의 진행 정도를 조절하며 이미지를 만드는 방법입니다.

식각공정 역시 웨이퍼에 액체 또는 기체의 etchant를 이용해 불필요한 부분을 선택적으로 제거해 반도체 회로 패턴을 만드는 것인데요, 반도체를 구성하는 여러 층의 얇은 막에 원하는 회로 패턴을 형성하는 과정을 반복함으로써, 반도체의  구조가 형성됩니다. 

식각공정은 식각 반응을 일으키는 물질의 상태에 따라 습식(wet)과 건식(dry)으로 나뉘게 되는데요, 판화가 날카로운 도구를 사용해 벗겨 냈다면, 반도체는 날카로운 도구 대신 포토공정(빛과 감광액)을 이용하여 부식 방지막을 형성하고, 부식액 역할을 하는 습식이나 건식 etchant로 불필요한 회로를 벗겨 내는 것입니다. 

습식에 비해 건식은 비용이 비싸고 방법이 까다로운 단점이 있으나, 최근에는 나노스케일로 집적화되는 반도체 기술변화에 따라 회로선폭 역시 미세해지고 이에 따른 수율을 높이기 위한 방법으로 습식(Wet)보다는 건식(Dry)식각이 확대되고 있습니다.

■ 플라즈마 상태를 이용해 불필요한 부분을 선택적으로 없애는 건식 식각

그렇다면, 건식 식각(Dry etching)은 어떤 방법을 통해 회로 패턴 이외에 불필요한 부분을 제거하는 것일까요?

건식 식각은 플라즈마 식각이라고도 하는데요, 일반 대기압보다 낮은 압력인 진공 챔버(Chamber)에 Gas를 주입한 후, 전기 에너지를 공급하여 플라즈마를 발생시킵니다. 여기서 플라즈마란, 고체-액체-기체를 넘어선 물질의 제 4 상태로 많은 수의 자유전자, 이온 및 중성의 원자 또는 분자로 구성된 이온화된 기체입니다. 이온화는 전기적으로 중성인 원자 혹은 분자가 자신이 보유하고 있던 전자를 떼어 내거나 추가 확보함으로써, 양전하 또는 음의전하 상태로 바뀌는 현상입니다.

플라즈마는 전기에너지에 의해 형성된 충분한 크기의 자기장이 기체에 가해질 때, 기체가 충돌하고 이온화됨으로써 발행하는데요. 즉, 자기장이 자유전자를 가속화시켜 높은 에너지를 가진 자유전자가 중성의 원자나 분자와 충돌하여 이온화를 일으키게 되는 것입니다.

이 때 이온화에 의해 생성된 추가 전자도 연쇄 반응(Avalanche)에 의해 또 다른 이온화를 일으키면서 이온의 수가 기하 급수적으로 늘어나게 되는데, 이 상태를 바로 ‘플라즈마 상태’라고 합니다. 플라즈마 상태에서 해리된 반응성 원자(Radical Atom)가 웨이퍼 위를 덮고 있는 막질 원자와 만나 강한 휘발성을 띠면서 표면에서 떨어져 나가게 되는 것입니다. 이러한 반응을 통해 감광액(PR, Photo Resist) 보호막으로 가려져 있지 않은 막질은 제거됩니다.

건식 식각 과정에서는 몇 가지 유의해야 할 사항들이 있는데요,

첫 번째는 균일도(Uniformity)를 유지하는 것입니다. 여기서 균일도란 식각이 이루어지는 속도가 웨이퍼 상의 여러 지점에서 얼마나 동일한 가를 의미합니다. 균일도가 중요한 이유는 일정한 시간 동안 공정을 진행한 상태에서 웨이퍼의 부위에 따라 식각 속도가 다를 경우, 형성된 모양이 부위별로 다르게 되어 특정 부위에 위치한 칩의 경우 동작하지 않아 불량이 발생하거나 특성이 달라지는 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.

두 번째는 식각속도(Etch Rate)입니다. 이는 일정시간 동안 막질을 얼만큼 제거할 수 있는지를 의미하는데, 식각속도는 주로 표면 반응에 필요한 반응성 원자와 이온의 양, 이온이 가진 에너지에 의해서 변화합니다. 즉, 원자와 이온의 양, 이온이 가진 에너지 등에 따라 식각속도가 달라지는데, 이러한 인자의 컨트롤어빌리티를 증가시켜 전체적인 수율을 향상시키기 위한 노력을 하고있습니다.

이 밖에도 선택비(Selectivity), 형상(Profile) 등이 건식 식각의 주요인자로 중요하게 여겨지고 있습니다.

지금까지 반도체 회로패턴을 완성하는 식각 공정(Etching)에 대해 알아보았습니다. 집적회로 기술의 산물인 반도체는 필요 물질의 박막(Thin Film)을 실리콘 기판 전면에 바른 후 남기고자 하는 모양에 보호층을 덮어 이외의 부분을 깎아내는 작업이 여러 번 반복되는데요, 이 모든 공정은 안전하게 설계된 장비 안에서 이루어 집니다.

다음 시간에는 반도체가 원하는 전기적 특성을 갖출 수 있도록 웨이퍼 위에 씌우는 박막에 대해 알아보도록 하겠습니다.

‘8대 공정’, ‘8대공정’

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요즘에는 많은 사람이 디지털 카메라를 사용하고 있지만, 불과 수년 전만해도 소풍이나 여행을 가면 빠짐없이 등장했던 카메라가 있습니다. 바로 아날로그 향수가 물씬 풍기는 필름 카메라인데요,

반도체 공정 중 웨이퍼에 회로를 그리는 포토공정(Photo)은 우리가 흔히 알고 있는 필름 카메라로 사진을 찍어 현상하는 방법과 동일합니다. 그럼, 어떻게 비슷한 지 한 번 알아볼까요?

■ 설계와 마스크 제작: 웨이퍼에 그려 넣을 회로 패턴을 만드는 준비 단계
우선, 컴퓨터 시스템(CAD, computer-aided design)을 이용해 웨이퍼에 그려 넣을 회로를 설계합니다. 전자회로 패턴(Pattern)으로 설계되는 이 도면은 50~100m 정도의 큰 크기로 제작 되는데요, 어마어마한 도면에 세밀한 회로가 복잡하게 그려집니다. 도면상 회로가 제대로 연결되었는지 확인하기 위해서는 실제로 도면을 바닥에 펴 놓고 사람이 그 위에 올라가 눈으로 직접 검사를 할 정도니 그 크기와 세밀함이 엄청나죠?

도면 검사까지 마친 회로 패턴(Pattern)은 E-Beam이라 일컫는 설비를 통해 순도가 높은 석영을 가공해서 만든 유리판 위에 그려져 MASK(Reticle)로 다시 탄생하게 됩니다. 포토 마스크(Photo Mask)라고도 하는 이것은 회로 패턴이 고스란히 담긴 네거티브 필름으로 사진용 원판의 구실을 하게 됩니다.

그렇다면, 이 마스크를 웨이퍼보다 크게 만드는 이유는 무엇일까요?

반도체의 회로는 아주 미세하여 작은 먼지 한 톨도 허용되지 않기 때문입니다. 회로 패턴이 담긴 마스크는 축소 촬영법으로 1개의 칩에 회로를 새겨 넣고, 그 후 반복축소 촬영으로 웨이퍼의 전면을 주사합니다. 여기서 만약, 웨이퍼와 같은 크기의 마스크를 사용한다면, 마스크에 있던 먼지 크기 그대로 웨이퍼에 노광되어 웨이퍼가 오작동을 일으키게 됩니다. 그래서, 마스크는 웨이퍼보다 크게 만들어 먼지 크기도 함께 축소될 수 있도록 하는 것입니다.

이제 웨이퍼 위에 그림을 그릴 준비가 다 되었습니다.

■ 포토 공정: 사진 인쇄 기술로 웨이퍼에 회로를 현상
흔히 포토 리소그래피(Photo Lithography)를 줄여서 포토공정(Photo)이라고 하는데요, 이 공정은 빛을 사용하여 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 비춰 웨이퍼 위에 회로를 그리기 때문에 붙여진 이름입니다. 패턴을 형성하는 방법은 흑백 사진을 만들 때 필름에 형성된 상을 인화지에 인화하는 것과 같다고 볼 수 있습니다.

특히, 반도체는 집적기술인 만큼 집적도가 증가할수록 칩을 구성하는 단위 소자 역시 미세 패턴을 사용하여 작게 만드는 것이 중요합니다. 이 때, 미세 회로 패턴 구현은 전적으로 포토 공정에 의해 결정되기 때문에, 집적도가 높아질수록 포토 공정 기술 또한 세심하고 높은 수준의 기술을 요하게 됩니다.

그렇다면, 본격적으로 포토공정(Photo)에 대해 알아볼까요?

1) 웨이퍼를 인화지로 만들어 주는 감광액 도포

웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액(PR, Photo Resist)을 골고루 바릅니다. 웨이퍼 위에 균일하게 입혀진 감광액(PR)은 빛에 어떻게 반응하는가에 따라 양성(positive) 혹은 음성(negative)로 분류 되는데요, 양성 감광액의 경우 현상공정을 통해 노광된 영역이 제거되고, 음성 감광액의 경우 노광된 영역만 남게 되어 원하는 패턴을 그릴 수 있게 됩니다.

보다 고품질의 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광액(PR)막이 얇고 균일해야하며, 빛에 해당하는 자외선에 대한 감도가 높아야 합니다.

2) 카메라 셔터를 여는 노광
감광액(PR)막이 형성된 웨이퍼를 사진 인화지와 비슷한 상태로 만들었다면, 노광장비를 사용하여 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 그려 넣게 되는데, 이 과정을 노광(Stepper Exposure)이라고 합니다. 흔히 카메라 셔터로 빛을 주는데 쓰이는 노출(Exposure)과 동의어로 쓰이지만, 반도체 공정에서의 노광은 빛을 선택적으로 조사하는 과정을 말합니다.

3) 웨이퍼에 회로도를 그리는 현상

포토공정(Photo)의 마지막 단계는 현상(Develop)으로, 일반 사진을  현상하는 과정과 동일합니다. 이 공정에서 패턴의 형상이 결정되기 때문에 매우 중요한데요, 현상(Develop) 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 형성하는 공정입니다.

현상 공정까지 마치게 되면, 모든 포토공정이 끝나게 되는데요, 각종 측정 장비와 광학 현미경, 육안을 통해 패턴이 잘 그려졌는지 세심하고 꼼꼼하게 검사한 한 후, 이를 통과한 웨이퍼만이 다음 공정 단계로 이동하게 됩니다.

지금까지 웨이퍼 표면에 정밀한 회로 패턴을 찍는 포토공정에 대해 알아보았습니다. 다음 시간에는 회로 패턴이 그려진 대로 웨이퍼에 전기가 흐르도록 만드는 과정에 대해 소개해 드릴 예정이니 많이 기대해주세요.

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