출처: http://www.skcareersjournal.com/194 [SK채용 공식블로그]
반도체의 기본재료, 웨이퍼(Wafer)
모래로부터 실리콘을 추출, 가공과 성형을 통해 완성된 잉곳(결정 기둥)을 얇은 판으로 잘라내는 공정
반도체의 기본 재료인 웨이퍼는 실리콘으로 만들어진다. 실리콘은 모래 속에 많이 들어있어 구하기 쉽고, 비용이 적게 든다. 또 고온에서도 소자가 동작할 수 있고, 전기적 특성이 우수해 주 재료로 사용된다.
웨이퍼 공정은 크게 4단계를 거친다.
먼저, 모래에서 추출한 실리콘을 정제하는 과정이 필요하다.
다음으로 실리콘을 고온을 가열해 얻어진 실리콘 용액으로 실리콘 기둥인 잉곳을 만든다.
가공을 통해 완성된 잉곳을 얇은 형태로 잘라 웨어퍼를 얻는다.
마지막으로 웨이퍼 표면을 평평하게 만드는 CMP(Chemical Mechanical Polishing, 화학적 기계적 연마)공정을 거친다.
# 웨이퍼를 보호하라 '산화공정'
웨어퍼 표면을 보호하는 산화막을 만드는 공정
CMP 공정 후 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태이기 때문에 반도체의 성질을 갖도록 작업이 필요하다. 산화공정은 이어지는 공정에서 발생하는 오염물질이나 화학물질에 의한 불순물로부터 실리콘 표면을 보호하는 산화막(SiO2)을 씌우는 공정이다.
# 반도체 회로를 그려라, 포토공정
웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 공정
필름을 인화지에 새기는 방법과 동일한 포토공정은 필름 역할을 하는 마스크(Mask)를 인화지 역할을 하는 웨이퍼에 얹혀서 현상하는 과정이라고 보면 된다.
먼저 웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액을 골고루 바른다. 감광액 막이 형성된 웨이퍼는 인화지와 비슷한 상태가 되었다고 보면 된다. 마스크에는 컴퓨터를 이용해 설계회로를 새겨 넣는데 이 마스크가 필름 역할을 하게 된다. 인화할 준비가 되었다면 노광장비인 스태퍼(Stepper)를 사용하여 웨이퍼에 마스크회로를 그려 넣는다. 노광이란 빛을 선택적으로 조사하는 과정을 일컫는데, 웨이퍼 위에 마스크를 놓고 빛을 쪼아 주면 회로 패턴을 통과한 빛이 웨이퍼에 회로 패턴을 그대로 옮기게 된다. 마지막으로 웨이퍼에 현상액을 뿌리면 감광액이 빛에 따라 노광된 영역이 제거된 양성(Positive)와 노광된 영역만 남은 음성(Negative)으로 나눠져 미세한 전자회로 패턴이 새겨지게 된다.
# 불필요한 것은 가라, 식각공정
필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 공정
포토공정으로 얻어진 회로패턴을 제외한 부분을 제거하는 식각공정은 가스로 깎아내는 건식과 화학액으로 삭여서 파내는 습식으로 나뉜다. 건식은 습식에 비해 비용이 비싸고 방법이 까다롭지만 최근 반도체 기술변화로 회로선 폭이 미세해져서 건식식각이 확대되고 있다.
# 전기적 특성을 갖게 하는 공정
Diffusion & Thin Film 공정을 통해 웨이퍼가 반도체의 성질을 가질 수 있도록 표면에 불순물 확산, 박막 형성 작업
반도체 칩은 한 개의 회로만으로 이루어 진 게 아니라 빌딩을 올리듯이 여러 개의 회로를 쌓아 만든다. 이런 구조를 형성하기 위해서는 회로 간 구분을 해주고 보호를 해주는 역할을 할 수 있는 매우 얇은 막이 필요한데 이것을 '박막(Thin Film)'이라 한다.
또한 웨이퍼 위에 분자 또는 워자 단위의 물질을 입혀 전기적 특성을 갖게 하는 공정을 '증착(Deposition)'이라고 한다. 증착은 화학적 기상증착방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)과 물리적 기상증착방법(PVD, Physical Vapor Deposition)으로 나뉜다. 화학적 기상증착방법을 이용해 금속막을 씌울 경우 전기가 잘 흘러 소통이 원할하게 할 수 있고, 절연막을 씌울 경우 회로와 회로를 분리해 주는 역할을 한다. 여기에 웨이퍼 내부에 이온 불순물을 집어 넣는 Diffusion(확산) 공정을 통해 부도체인 실리콘 웨이퍼가 전기적 특성을 갖는 반도체가 된다. 물리적 기상증착방법은 금속 박막의 증착에 주로 사용되는데 주로 현재 반도체 공정에서는 화학적 기상증착방법을 사용하고 있다.
# 전기적 특성의 완성, 금속 배선 공정
외부에서 얻어지는 전기적 에너지를 받아 소자들끼리 신호가 섞이지 않고 전달되도록 선을 연결하는 작업
전기가 잘 통하도록 하기 위한 금속을 고를 때에도 몇 가지 조건을 만족해야 한다. 먼저 웨어퍼와 부착성이 좋아야 하고, 전기저항이 낮아 전류를 잘 전달할 수 있어야 하며 다른 화학적 열적 공정에서 금속선 특성이 변화하지 않아야 한다. 이런 조건들을 만족하는 대표적인 금속 배선 재료들은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W)이 있다. 하지만 알루미늄의 경우 실리콘과 만나면 섞이려는 성질이 있어 반도체 웨이퍼의 접합면이 상할 수 있다. 따라서 두 접합면 사이에 베리어 메탈(Barrier Metal)이라 불리는 금속을 넣어 접합면이 상하는 것을 방지한다.
# 불량 테스트, EDS(Electrical Die Sorting)
웨이퍼 상태에서 이뤄지는 TEST로 불량을 선별하는 작업
크게 5단계로 이뤄지는 불량테스트(EDS)는 웨이퍼 상태의 개별 칩들의 전기적 특성을 바탕으로 불량품을 선별하는 과정이다.
1단계는 ET Test & WBI(Electrical Test & Wafer Burn In)으로 ET Test는 트랜지스터, 저항과 같은 소자들에 대한 전기적 특성을 테스트해서 작동여부를 확인하는 과정이다. WBI는 웨이퍼에 열을 가한 후 전압을 가해 제품의 잠재적인 오류를 찾아내는 작업이다.
2단계는 Pre-Laser(Hot/Cold)로 특정온도에서 발생하는 오류를 잡아내는 Test와 전기적 신호를 통해 이상 유무를 판별해 수선이 가능한 칩은 수선공정에서 처리하도록 하는 작업이다.
3단계는 Laser Repair & Post Laser로 Pre-Laser 공정에서 수선이 가능하다고 판단된 칩을 모아 수선하는 공정이다.
4단계인 Tape Laminate & Back Grinding에서 Back Grinding은 웨이퍼 후면을 갈아 칩의 두께를 얇게 해서 교통카드와 같은 IC카드에 조립하기 쉽게 한다. 이 때 공정 중에 발생하는 잔여물로부터 웨이퍼 표면을 보호하는 Tape를 씌우는 것이 Tape Laminate공정이고, Grinding이 끝나면 다시 벗긴다.
5단계 Inking은 불량 칩에 특수 잉크를 찍어 육안으로 불량 칩을 식별 할 수 있도록 하는 공정이다.
# 검은 옷의 정체는? 패키징(Packaging)
외부 전원 공급 및 입출력 신호 전류들과 연결, 칩을 외부 환경으로부터 보호하는 작업
금속 연결공정(Wire Bonding)을 통해 외부 전원과 연결 할 수 있도록 하고, 성형(Mold)공정은 수지(Resin)로 구성된 EMC(Epoxy Molding Compound)에 고온을 가해 젤처럼 만든 뒤 원하는 형태의 틀로 넣고 기판을 감싸주는 공정이다. 이런 공정을 거쳐 검은 옷을 입을 반도체 칩은 완제품 합격시험인 패키지 테스트(Package Test)를 거쳐 최종적인 완제품으로 거듭나게 된다.
