Intro반도체공정을 주제로 반도체 제조 공정에 중심적인 내용과 반도체의 역할과 반도체 공정 실험과정에 대해 자세히 조사하여 반도체 공정에 관한 전반적인 내용을 다룬다.1. 반도체란- 반도체는 특별한 조건에서 전기가 통하는 물질로 필요에 따라 전류를 조절하는데 사용된다.- 주로 14족 원소인 실리콘(Si)이 반도체 재료로 사용되고 있다.- 반도체 재료의 특성은 불순물 첨가(도핑)에 따라 달라진다. 대표적으로 p형과n형이 있다.- p형에서 n형 방향으로 전류가 잘 흐르고 반대방향으로 거의 흐르지 않는 정류작용이 일어난다.- 이런 소자를 다이오드(diode)라고 하며 이것이 반도체 소자의 기본이 된다.- 반도체를 활용하는 대표적인 반도체소자로는 다이오드와 트랜지스터가 있다.2. 반도체 8대 공정반도체의 제조 공정은 크게 전공정과 후공정으로 나누어 총 8가지 과정으로 반도체 8대 공정은 웨이퍼를 투입하고 제품으로 출하될 때 까지 거치는 주요 생산 기술이다.실험내용붉은색 - 실습실험1. Wafer prepration웨이퍼 제조공정은 간단하게 잉곳 제조, 절단, 연마, 클리닝으로 4단계로 분류할 수 있다.a) Creat Ingot약 1450℃의 온도에서 다결정 실리콘을 녹인후, 단결정 잉곳으로 성장한다.- 단결정 성장방법 - 쵸크랄스키법, 플로팅 존법- 다결정 성장방법 - . Bridgman, Casting, EMCb) Slicing Ingotc) Griding Surfaced) Cleaning and Inspectionsubtrate cleaning1.1 process- 웨이퍼는 가로세로 1cm 커팅된 것을 사용한다.- 웨이퍼의 상부는 테이핑이 안되어있고 하부만테이핑되어있기에 트위저로 집어 하나씩 떼어 거즈 위에 둔다.- 클리닝 키트 라인에 맞춰서 정렬한다.- 아세톤에 넣어 불순물을 융해한다.- 메탄올에 넣어 아세톤을 융화한다.- 마지막으로 증류수로 중성화시킨다.1.2 purpose이 과정은 웨이퍼의 표면이 오염되어있다면 소자 특성에 악영향을 미치기에 cleaning조절이 유리하다.c) PVD와 CVD의 장단점PVD CVD장점 - 저온공정 , 안정성 높음 - 기판 적합성 높음- 고품질 , 오염도 낮음 - 비교적 저렴한 장비단점 - 고가의 장비 사용 - 고온공정- 증발일 경우 증착 속도 느림 - 불순물 오염정도 높음Deposited the channel layer3.1 process- 소자를 DC sputter에 넣는다- Chamber내를 고진공으로 맞춰놓고 증착을 진행 한다(그렇기에 메인벨브 닫고 벤트벨브 열어준다)- 대기압으로 다시 낮춰서 넣어줘야 하기 때문에 벤트벨브에서 질소를 넣어준다.- 진공이 풀리면 벤트벨브를 끄고 질소 넣는거 멈춘다.- Chamber를 열고 타겟교체와 증착을 원하는 물질을 넣고 저진공을 잡고 고진공을 잡는다. (2시간 소요)- 진공도 확인을 위해서 이온게이지를 확인한다.- 진공깨기위해 아르곤 비활성기체를 넣어준다.- Rf 전원 넣어줄때 50W를 넣어주고 Reflection값이 0이될때까지 기다린다.- 다시 셔터를 열어주면 증착시작된다.- 플라즈마가 튀면 셔터를 닫고 Pre-sputtering 진행 (10m)- 10분지나고 셔터열고 5분간 기다린다.- 전원공급 꺼주고 settling value를 0으로 맞춰 아르곤기체가 없게 만들어서 초기상태로 돌려놓는다.-3.2 purpose반도체 소자가 전기적 특성을 가지기 위해 Sputter를 사용해 막성장을 통한 코팅을 해준다.4. Photo-lithography웨이퍼 위에 빛을 조사하여 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 비추어 회로를 넣는 공정이다.a) PR : Photoresist- PR 은 3 가지 물질로 Solvent, Resin, PAC(Photoactive compound) 로 구성 되어있다.- Solvent : PR 의 97%를 차지하고, 고체인 Resin 과 PAC 를 용해시켜 스핀코팅을 도와준다.- PAC : 빛을 받으면 Resin 과 반응하는 역할을 한다.- Resin : 폴리머 결합으로 이루어지고, positive PR 과 negative putter에서 증착된 a-SZTO 물질을 마스크가 있는 부분만 남기기 위해서 postive PR 용액을 이용해서원하는 모양의 채널을 형성해준다.annealing process- 높은 온도에서 일정 기간 동안 가열한 다음 서서히 냉각시키는 과정이다.- 고온에서 금속이나 반도체를 가열하면 결정 구조가 재정렬고 이로 인해 결정의 크기와 방향이 조절되어 ㅇㄴㅇ응력과 물성이 향상 된다.- 도핑된 물질이 소자에서 효과적으로 활성화 되는 것을 돕는다.- 500°C에서 진행. Rising time과 keeping time을 가지며 깨질 것을 우려해 keeping time 이후에도 기다렸다가 ㄴㄴ꺼낸다. 일반적으로 rising time은 홀수, keeping time은 짝수 시간으로 진행한다. (6시간 소요)5. Ecthing- 포토공정후 필요한 회로 패턴을 제외하고 나머지 부분을 제거하는 과정이다.- 반응물질에 따라 크게 건식식각, 습식식각 두가지로 나뉜다.a) 습식식각 (실험진행)- 화학용품 액체에 웨이퍼를 담그는 방식- 모든방향으로 식각하기 때문에 등방성을 가져 정확성 낮다.b) 건식식각- 플라즈마, 기체 또는 두 방법을 같이 사용하는 방식- 플라즈마+기체식각은 비등방성과 잔여물 제거로 정교한 패턴 구성 가능하다.Photo-lithograohy : electrode4,5.1 process - (Photo-lithography : channel과 비슷한과정이다)- Coating PR : positive PR 용액을 wafer 표면에 코팅하기 위한 Skin process 를 진행하기 위해용액을 3 ~ 4방울 뿌린 후 Spin coater를 이용해서 코팅을 진행한다.- Soft bake : 용액이 wafer에 잘 도포되게 하기 위해 핫 플레이트에 90도의 온도로 50초간 베이킹을 진행한다.- Aline mask : 채널을 형성하기 위해 ㄱ자 패턴이 마킹된 마스크를 형성된 직선부분 가운데에 맞춘다.- Expose pattern : Pattern을 형성하기 위해 마스크가 올려진춘다.( film thickness monitor 에 센서를 넣어서 증착률과 증착시간 같은걸 알수있다)- 두께가 0.095 가되면 셔터를 닫고 커런트를 줄인다.- 다음으로 Al 증착을 위해 알루미늄으로 material바꾸고 thermal evaporate 시킨다.- 알루미늄은 두께 40nm 증착을 위해 증착속도를 0.4~0.6 옹스트롬/sec 정도로 맞춘다.- 두께가 0.395 가되면 셔터를 닫고 커런트를 줄인다.- 상온에서 식힌후에 lift off 과정을 진행하고 이때 아세톤에서 pr을 제거해준다.7. EDS (Electrical Die Sorting)반도체 후공정으로 제조가 된 칩을 테스트를 통해 제품을 선정하는 공정a) 수율b) EDS Test 5 단계ET Test and WBI -> – Pre-Laser -> – Laser and Post Laser -> Tape Laminate and Bake Grinding -> Inking8. Packaging- 낱개의 칩으로 절단한 것을 Bare Chip 또는 Die라고 한다.- 잘린 칩은 외부와 전기신호를 주고 받을 수 없고, 외부 충격에 취약한 점을 보완하는 과정이다.- 완성된 반도체 칩을 탑재될 기기에 맞는 모양으로 포장하는 단계로 절단해 리드프레임과 연결한다.a) 패키징 과정- 웨이퍼 절단 : Scribe Line 을 따라 레이너,다이아몬드 톱으로 웨이퍼를 절단 분리한다.- 칩 절삭 : 절단된 칩을 외부 회로에서 전기신호를 전달 및 보호해주는 리드프레임 또는 PCB 로 이동 ssssssssssssss한다.- 금속 연결 : 전기가 흐르게 기판과 리드프레임을 연결한다.- 성형 : 외부 물리적 환경으로부터 보호하기위해 화학수지로 밀봉하는 Molding 공정이다.- 테스트 : 성형 공정까지 마친 반도체 칩을 최종 테스트를 거쳐 제품으로 판매된다.(실험과정 요약도)마지막으로 결과 측정 전에 소스,게이트,드레인으로 총 3군데를 컨택해서 측정해야 하는 데 두 부분밖에 없기 때문에 인듐을 위,옆,모서리에 발라 컨택할 부 있을 것이라고 생각된다. Photolithography 공정은 직접 해보기 전에는 복잡한 공정 같았지만, 순서만 정확히 기억한다면 그리 어렵지 않은 공정이라고 생각한다.Evaporation에서 증착은 충분한 열에너지가 공급되어야 하는데 만약 증착하고자 하는 물질이 여러 가지의 소스 원소를 가지고 있다면, 각 원소별로 Evaporation에 필요한 에너지의 크기가 다르기 때문에 조절하기가 어려웠다.또한, 기판에 증착되는 원자가 소스로부터 직선으로 날아온다는 점을 생각하면, 기판의 표면이 평편하지 않을 경우에는 증착이 되지 않거나, 두께가 다를 확률이 있을 것 같다.이전의 이론적 개념에서는 진공상태를 가정하고 계산하지만, Evaporation 공정 실습을 통해서 진공 상태라는 것을 만들어 주기 위해서는 고가에다가 복잡한 장비가 필요한 것을 보고 진공이라는 것이 쉬운 것이 아니라는 것을 알게 되었다.Sputtering은 Target 소스와 충돌할 원자가 필요하며, 비활성의 Ar기체 원자를 주로 이용한다. 따라서 Sputtering을 통해 떨어져 나온 원자는 기판에 증착되기 전에 Ar원자들과 충돌하게 되고, 기판에 도착하여 증착이 될 때는, 입자의 운동 방향이 랜덤해 지게 된다. 따라서 기판의 표면에 기복이 존재하는 경우에도 증착이 균일하게 잘 이루어지게 된다.또한, 다수의 원소로 구성된 박막을 증착하는 경우에도, 두개 이상의 Target Source를 이용해 동시에 Sputtering하거나, 박막과 동일한 물질을 Sputtering하면 되기 때문에, 다성분 박막을 증착하는데 유리하다.그리고 높은 전압이 걸릴수록 전위차가 커지고, 큰 에너지가 공급되므로, Sputtering이 더 잘 된다는 것을 알게 되었다.Sputtering의 원리를 알고 나니, 앞서 했던 Photolithogaphy 공정과정 중 etching과 비슷하다고 생각되었다. 하지만, etching은 원하는 형태로 깎아내기 위한 목적을 가지고 수행하는 것이고, Sputtering은 원하는 형태가 없이 아.
