본문내용
1. 반도체 공정 개요
1.1. 반도체 기술의 발전
반도체 기술의 발전은 정보화 사회의 근간이 되는 핵심 기술로, 지속적인 혁신과 발전을 거듭해 왔다. 반도체 제품의 고집적화와 다기능화가 이루어지면서 기존 반도체 소자의 한계를 극복하고자 새로운 소자 구조와 제조 공정이 속속 등장하고 있다.
반도체 기술은 1960년대 이후 규모의 경제 실현과 생산성 향상을 위해 집적도를 지속적으로 높여왔다. 집적도 향상은 반도체 소자의 크기를 줄이는 미세화와 더불어 트랜지스터의 수를 늘리는 다기능화로 이루어져 왔다. 미세화를 통해 단위 면적당 더 많은 소자를 집적할 수 있게 되었고, 다기능화를 통해 보다 복잡한 기능을 구현할 수 있게 되었다.
대표적인 미세화 기술로는 CMOS 공정 기술과 FinFET 기술을 들 수 있다. CMOS 공정은 집적도를 높이고 소비전력을 낮추는데 효과적이었으며, FinFET은 기존 트랜지스터의 한계를 극복하고자 등장한 3차원 트랜지스터 구조이다. 이와 더불어 QPT(Quantum Point Transistor)와 3D NAND와 같은 새로운 소자 구조가 개발되어 미세화와 집적도 향상을 이끌고 있다.
한편 반도체 기술의 발전은 제조 공정의 변화를 동반하고 있다. 특히 포토리소그래피 공정 대신 CVD, 식각, CMP 공정의 중요성이 증대되고 있다. 이는 3차원 집적 구조로의 변화에 따른 것으로, 복잡한 패턴을 구현하기 위해서는 화학적 증착, 선택적 식각, 평탄화 등의 공정이 핵심적인 역할을 하기 때문이다.
이처럼 반도체 기술은 지속적인 혁신을 통해 고집적화와 다기능화를 실현하고 있으며, 이에 따라 제조 공정 또한 발전을 거듭하고 있다. 앞으로도 새로운 소자 구조와 공정 기술의 등장을 통해 반도체 기술은 더욱 발전할 것으로 예상된다.
1.2. 반도체 제조공정의 이해
반도체는 원자의 배열 상태에 따라 전기가 흐르거나 흐르지 않는 특성을 지니고 있다. 이러한 독특한 성질을 이용하여 반도체는 전자기기의 핵심 부품으로 활용된다.
반도체의 주된 원료는 실리콘(Si)으로, 실리콘 웨이퍼는 반도체 제품 생산의 기본 소재이다. 반도체 제조 공정은 크게 웨이퍼 제조 공정, 웨이퍼 가공 공정, 금속 배선 공정, 반도체 검사 및 패키징 공정 등으로 구분된다.
웨이퍼 제조 공정에서는 단결정 실리콘을 성장시키고 절단, 연마, 세척, 검사 등의 작업을 거쳐 웨이퍼를 제작한다. 이렇게 제조된 웨이퍼는 가공 공정을 통해 회로 패턴을 형성하게 된다. 웨이퍼 가공 공정에서는 산화, 감광액 도포 및 노광, 식각 공정이 이루어진다. 먼저 웨이퍼 표면에 산화막을 형성하고, 감광액을 도포한 후 마스크를 통해 회로 패턴을 노광한다. 그 다음 식각 공정에서 불필요한 부분을 제거하여 회로 패턴을 형성한다.
금속 배선 공정에서는 웨이퍼 위에 금속 박막을 증착하고 회로 패턴에 맞게 금속 배선을 형성한다. 금속 배선은 회로 간 전기적 신호를 연결하는 역할을 하며, 알루미늄, 티타늄, 텅스텐 등의 금속이 주로 사용된다.
반도체 검사 및 패키징 공정에서는 웨이퍼 상태에서 전기적 특성을 검사하고, 칩을 기판에 부착하여 최종 제품을 완성한다. 전기적 특성 검사인 EDS(Electrical Die Sorting) 테스트를 통해 불량품을 제거하고, 양품만을 선별한다. 그리고 패키징 공정에서 칩을 보호하고 외부 기기에 장착할 수 있는 형태로 만든다.
이처럼 반도체 제조 공정은 매우 복잡하고 정밀한 기술이 필요한 분야이다. 웨이퍼 제조부터 패키징에 이르는 전 과정에서 정교한 공정 관리와 첨단 장비가 활용된다. 또한 공정별로 다양한 특수 가스가 사용되며, 기술 발전에 따라 공정 변화와 새로운 장비 도입이 지속적으로 이루어지고 있다. 반도체 제조 공정의 이해는 반도체 산업의 핵심 기술을 파악하는데 매우 중요하다.
2. 웨이퍼 제조 공정
2.1. 단결정 성장
단결정이란 주기적으로 배열된 원자구조를 갖는 고체를 말한다. 단결정이 아닌 물질도 부분적으로 주기 원자 배열을 가질 수 있지만, 이 주기 배열을 갖는 영역이 매우 작다. 일반 물질을 녹여 자연 냉각하면 원자들이 수백 나노미터 이상의 주기 배열을 갖기 어려우며, 물질 내 주기 배열을 갖는 영역을 grain이라고 하고 grain boundary는 결정 구조 내 결함으로 간주된다. Grain boundary는 물질의 전도도, 열전도도 및 강도를 저하시키고 부식을 가속시킨다. 단결정 시료를 확보하면 물질의 순수한 원천 성질을 조사할 수 있다. 단결정은 투명한 경우 광학 특성 연구에 활용되며, 반도체나 자성체, 금속, 절연체 등 다양한 물성을 가질 수 있다.
단결정 성장 공정은 고순도의 일정한 모양이 없는 폴리 실리콘을 고도로 자동화된 단결정 성장로 속에서 직경이 큰 단결정봉으로 성장시킨다. 고진공 상태에서 섭씨 1400도 이상의 고온에 녹은 폴리 실리콘은 정밀하게 조절되는 조건하에서 단결정봉으로 성장한다. 성장과정이 끝나면 단결정봉은 실내온도로 식혀지고 각 단결정봉이 여러 조건에 부합하는지 평가한 후 가공되어 정확한 직경을 갖게 된다.
단결정 성장이 쉬운 물질은 녹는점이 낮고 주변 환경에 민감하지 않으며, 간단한 실험 장치로도 성장 가능하다. 반면 녹는점이 매우 높거나 증발되기 쉬운 물질은 고압의 밀폐된 용기를 이용하거나 특수한 도가니를 사용해야 성장이 가능하다. 단결정 소재는 순수한 물질 특성 연구의 시발점이 되며, 실생활과 연구 분야에서 다양하게 활용되고 있다. 특히 실리콘 단결정은 반도체 소자와 태양전지 등에 널리 사용되고 있다. 최근 사파이어 단결정에 대한 관심도 높아지고 있으며, 국내에서도 관련 기술 확보를 위한 투자가 늘어나고 있다.
2.2. 웨이퍼 절단 및 연마
단결정 성장이 끝난 실리콘 단결정봉은 웨이퍼, 즉 얇은 슬라이스로 변형되어야 한다. 단결정봉을 고도의 절삭 기술을 사용하여 웨이퍼로 바꾸는 것이 절단 공정이다. 단결정조직이 정확하게 정렬되도록 단결정봉을 흑연빔에 놓은 다음 웨이퍼로 절단한다. 절삭작업을 거치는 동안 웨이퍼의 가장자리 부분은 매우 날카롭고 깨지기 쉬워지므로, 세척과정을 거친 후 정확한 모양과 치수로 가공하여 손상에 영향을 덜 받게 한다.
조연마 과정을 거친 웨이퍼는 식각공정을 거치면서 추가적인 표면 손상을 제거하고, 완전 자동화된 장비로 가장자리 부분과 표면을 경면연마 한다. 그 결과 얻어지는 웨이퍼들은 극도로 평탄하고 결함이 없는 상태가 된다. 경면연마 과정을 거친 웨이퍼는 웨이퍼에 있는 미립자 오염물, 금속, 유기 오염물질을 씻어내는 세척 공정을 거친다. 이 최신의 공정은 0.1㎛ 크기의 미립자까지 검출할 수 있는 레이저 검사 장치로 검사를 받는다. 마지막 세척공정을 거친 웨이퍼들은 즉시 출하 포장되어 고객에게 전해진다.
웨이퍼 절단 및 연마 공정을 통해 단결정봉은 균일하고 결함이 없는 웨이퍼로 가공된다. 이는 반도체 소자를 제작하는 데 필수적인 기반이 된다. 절단 공정에서는 웨이퍼의 가장자리 부분 손상을 방지하고, 연마 공정에서는 표면의 평탄도와 결함을 최소화하여 웨이퍼의 품질을 극대화한다. 이러한 웨이퍼 제조 기술의 발전은 반도체 집적도와 성능 향상에 핵심적인 역할을 해왔다.
2.3. 웨이퍼 표면 세척 및 검사
웨이퍼 표면 세척 및 검사는 웨이퍼 제조 공정의 중요한 단계이다. 연마된 웨이퍼는 오염물질과 결함을 포함하고 있어 이를 제거하고 품질을 검사하는 과정이 필...
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