[유튜브] 비전공자를 위한 반도체 공정

 

 

반도체 공정에 대해 알아보자

   유튜브 '기업핥기' 채널에서 반도체 공정에 대한 내용 학습 차원에서 정리해보았다. 당연히 이 영상 하나로 반도체의 방대한 세계에 대해 전부 이해할 수는 없지만, 찾아본 영상 중에서는 가장 쉽게 간략하게 정리된 영상이 아닐까 생각되어 정리하게 되었다. 아래 풀영상 보는 것을 강추드리며 영상을 보기 힘든 분들은 아래 정리된 내용 일독하시는 것도 함께 추천드린다.

 

비전공자를 위한 반도체 공정 / 제일 쉬운 설명! /삼성전자 SK하이닉스 (Eng sub) - YouTube

 

반도체란?

 

- 반도체는 선택적으로 전기가 통하기도 하고 안 통하기도 하는 물질을 말한다. 흔히 전자기기에 들어가는 반도체는 이런 성질들을 이용한 '다이오드', '트랜지스터', '캐패시터 (콘덴서) 등의 반도체 소자들을 말한다.

 

- 이 반도체 소자들을 회로를 다양하게 연결하여 전기신호를 증폭시키고, 이 신호를 빛이나 소리 등으로 변환하거나 디지털 데이터로 전환시킬 수 있다.

 

- 또한, 데이터를 저장하고 기억하며 논리에 따라 연산과 제어도 할 수 있다. 그래서 전기신호의 통제기능을 담당하는 뇌 역할을 한다. 그래서 전자기기엔 아 반도체 소자들의 연결이 꼭 필요하다. 그런데 다양하고 복잡한 기능을 수행하는 핸드폰과 컴퓨터 같은 기기에는 이 반도체 소자들이 얼마나 필요할까? 

 

 

 

 - 핸드폰과 컴퓨터와 같은 기기에는 그만큼 다양한 논리와 연산, 제어 기능들이 필요하기 때문에 그만큼 많은 반도체 소자들이 필요하다. 수백만 개부터 수십억 개의 트랜지스터가 필요하다.

 

  - 기기도 그만큼 커질 수밖에 없는데 이 반도체 소자를 아주 작게 만들어서 층층이 쌓아 올려놓은 것을 IC (integrated Circuit), '집적회로'라고 부릅니다. 이것이 우리가 흔히 말하는 반도체 칩이며, 손톱만큼 작은 칩에 수십억 개 트랜지스터가 들어있다. 아주 세밀하게 만들 수 있는 나노 공정이 발전되어 더 작고 빠른 반도체 칩이 만들어질 수 있었다.

 

 

 - 이 반도체 칩 덕분에 책상 위에 올려놓을 수 있는 컴퓨터가 생길 수 있었고, 점점 가볍고 빠르며 다양한 기능을 수행하는 기기들이 만들어질 수 있었다. 이 모두가 반도체를 작게 만들어서 가능한 일이었다. 그래서 사람들은, 반도체를 전자산업의 쌀로 부르기도 한다.

 

 

반도체 제조 공정에 대해 알아보자

 

 

1) 웨이퍼 제조

 

  -  웨이퍼는 반도체 칩을 만들기 위한 "도화지". 위 사진 속 빨간색 원형 표시된 동그란 얇은 판이 '웨이퍼'이다. 이 웨이퍼 표면 위에 전극을 입히고 트랜지스터나 다이오드 같은 소자를 만들면 반도체 칩 (IC) 이 된다. 웨이퍼가 크면 클수록 한 번에 많은 반도체 칩을 만들 수 있다. 

 

 

 - 웨이퍼는 주로 실리콘으로 만들어지는데, 실리콘은 모래 모래에서 추출하기 때문에 가격이 저렴하고 고온과 습도에도 강하기 때문에 주로 쓰이는 원료. 

 

 

   - 이 실리콘 원석을 높은 온도에서 가열하여 덩어리로 만든다. 이 순수한 금속의 덩어리를 '잉곳 (Ingot)'이라고 하는데, 우리가 떠올릴 수 있는 '금괴'도 잉곳이라고 할 수 있다. 녹인 실리콘 원석을 덩어리로 만든 것을 '실리콘 잉곳'이라고 부른다. 둥근기둥의 모양으로 굳어진 실리콘 잉곳을 갈아서 둥근 원통으로 만들어 줍니다.

 

 

 -  이 실리콘 잉곳을 슬라이스 모양으로 얇게 자르면 둥그란 실리콘 판이 여러 장 나오게 되는데, 이를 말 그대로 슬라이싱이라고 한다.

   이 위에 아주 미세한 공정으로 반도체 소자가 만들어져야 하기 때문에 연마와 세정을 여러 번 거처서 아주 매끄럽고 깨끗한 상태로 만들고, 이렇게 하여 웨이퍼가 만들어진다.

 

 

2) 회로설계

 

 - 웨이퍼가 '도화지라면 이제 그림을 그릴 차례. 반도체 칩 (IC)은 이와 같이 여러 층이 층층이 쌓인 모습이다 이 모습은 마치 샌드위치와 비슷. 어떤 재료를 어떻게 쓰느냐에 따라 다른 샌드위치가 만들어지는 것처럼 반도체 소자 몇 개를 어떻게 연결하냐에 따라 이 반도체 칩은 CPU가 될 수도, 메모리칩이 될 수도, 센서가 될 수도 있다.

 

 

  - 샌드위치와 비교하자면 반도체 칩에서 설계는 레시피와 같다. 레시피는 반도체 소자들의 논리가 성립되면서 실제로 공정이 가능하게 설계가 되어야 한다. 다른 점이 있다면, 반도체 칩은 한층 한층 쌓는 공정이라서 각 층 따라 각각의 설계도면이 필요하다는 점이다.

 

 

  - 이 도면은 50~100M 정도의 큰 크기로 제작된다고 한다. 공정에 따라 수많은 회로가 층층이 쌓여 집적회로가 되는 과정을 말한다. 이 어마어마하게 복잡하고 큰 도면을 웨이퍼에 직접 그릴 수 없기 때문에 각 층의 설계도는 축소하여 유리에 마스크 (MASK)로 만듭니다.

 

 

  - 마스크는 가면이나 마스킹 테이프처럼 가리는 특징이 있다. 판에 구멍을 뚫어놓고 빛을 비춘다면 구멍이 뚫린 부분에만 빛이 통과된다. 반도체 회로도 이와 같은 원리를 이용하기 때문에 층층의 도면을 마스크로 만드는데. 이 마스크는 설계 도면이자 웨이퍼 위에 그려질 밑그림 역할을 하게 된다.

 

 

어떻게 수많은 층을 쌓을 수 있을까?

3) 웨이퍼 가공

 - 그렇다면 어떻게 웨이퍼에 얇고 수많은 층을 쌓을 수 있을까요? 웨이퍼 가공은 한 달에서 두 달 정도 긴 시간이 소용되며 고도의 기술, 수많은 장비 그리고 재료들이 쓰이기 때문에 반도체에서 수많은 기업이 관련되어 있는 부분이다. 그래서 주요 웨이퍼 가공 공정들을 알아두면 향후 기업분석 시 많은 도움이 될 수 있으니 참고할 것.

 

 

   - 먼저 웨이퍼 위에 그려지는 각 배선들이 합선되지 않도록 보호막을 만든다. 못이 공기 중에 오랫동안 노출되면 녹이 스는 것처럼 웨이퍼에 높은 온도의 산소를 노출시켜 산화막을 만든다. 이것을 산화 과정이라고 한다. 웨이퍼에 산화막이 생겼다면 회로를 그리기 위하여 감광액 (PR)을 도포 (COATIONG) 합니다.

 

 

감광액이란?

   - 감광액은 말 그대로 빛에 반응하는 민감한 물질인데 (Photo Resist) 회로를 그리는 과정에서 빛이 사용되기 때문에 이 감광액을 꼭 도포해야 한다. 감광액의 종류에 따라서 빛이 닿은 영역이 제거되거나 빛 닿은 영역만 남게 할 수 있다.

 

 

 - 포토공정 (Photolithograpy)

 

 

   - 이제 웨이퍼의 밑그림을 그리는 작업이다. 이 작업은 사진을 현상하는 과정과 비슷하여 포토공정이라고 부른다. 아까 설명했던 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 쏘는 노광장비를 사용하여 반복적인 축소 촬영을 한다.

 

 

   - 확대해서 보면, 현상액을 뿌려가면서 빛에 노출된 영역과 그렇지 않은 영역을 선택적으로 제거해 웨이퍼에 회로를 그려준다. 반도체는 얇은 층을 층층이 쌓아야 하는 만큼 미세 패턴을 구현하는 것이 핵심이다. 이 패턴 구현은 포토 공정에 의해 결정되기 때문에 매우 세심하고 높은 수준의 기술을 요구하게 된다. 패턴이 형성되었다면 각종 측정장비를 통해 패턴이 잘 그려졌는지 검사 후 다음 공정으로 넘어간다.

 

 

   - 이제 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거한다. 산화막을 기체나 액체를 이용해 부식시키기 때문에 식각 (Ethching) 과정이라고 한다. 

   - 감광액 (PR) 은 산화막을 부식으로부터 방지하는 역할을 하기 때문에 감광액이 없어진 표면만 제거된다. 감광액을 이용하여 패턴을 현상한 이유.

   -  식각의 액체를 이용하면 습식 식각 (Wet Ethcing), 가스를 이용하면 건식 식각 (Dry Ethcing)이라고 하는데, 건식은 비용이 비싸고 방법이 까다롭다는 단점이 있으나 정교한 식각이 가능하기 때문에 점점 미세해지고 있는 회로 설계에 따라 확대되고 있다.

 

  - 자 이제 필요한 산화막 회로만 남겨놓았으니 이제 불필요해진 감광액 (PR) 은 제거액을 사용하여 없애준다.

 

 

   - 반도체는 층층이 절연막 층과 금속막 층으로 구분되어야 하는데, 금속막층은 회로 간의 전기적인 신호를 연결해주고

절연막층은 금속막층과 내부로 연결된 층을 전기적으로 분리하거나 오염으로부터 차단시켜 준다. 그래서 부도체인 웨이퍼가 반도체 성질을 띌 수 있게 해 준다.

 

 

  - 그 층들을 아주 얇은 '박막'이라고 하며, 이 '박막'을 쌓는 공정을 '증착 공정 (Deposition)'이라고 합니다. 증착 방법에 따라 물리적 기상 증착 방법 (PVD/Phsical Vapor Depostion)과 가스의 화학반응 (CVD/Chemical Vapor Deposition)으로 증착하는 화학적 기상 증착 방법 등으로 구분된다. 

 

 

 

- 증착과 포토공정, 그리고 식각 공정을 반복하면서 원하는 회로 패턴을 형성한다. (불필요해진 PR도 제거한다)

 

 

   - 그런데 실리콘으로 만들어진 웨이퍼는 아직 반도체가 아니다. 이제 전기적인 성질을 가지게 되려면 불순물인 이온(Ion)을 주입하는 공정이 필요하다. 붕소, 인 같은 불순물을 미세한 가스 입자로 만들어 원하는 깊이만큼 웨이퍼 전면에 넣어줌으로써 전도성을 갖도록 만드는 과정. 이제 이온 주입으로 전류가 통할 수 있게 되면서 반도체 성질을 가지게 되었습니다. (통로 역할)

 

 - 절연막 층, 금속막 층 회로를 설계대로 쌓기 위해서 산화, 포토공정, 식각, 세정 (&연마), 증착 과정을 반복한다. 이 과정이 수백 번 이루어지는데, 각각 균일한 속도와 두께로 공정이 진행되어야 패턴이 부위별로 잘 나올 수 있다. 그렇지 않으면 칩이 동작하지 않거나 불량이 발생할 수 있기 때문에 각 공정에서 수많은 검사가 병행되면서 웨이퍼 가공이 진행된다. 검사를 통해서 제조공정상의 문제점을 찾거나 설계상의 문제를 발견하기도 하면서 수율을 높이는데 중요한 역할을 한다. 한 달에서 두 달까지 이 긴 시간이 소요되는지 이해가 되는 부붐

 

 

4) 검사

 

 

 -  웨이퍼 가공을 거친 반도체 칩은 전기적 특성 검사 등을 통해 각각의 칩들이 원하는 품질 수준에 도달하는지를 테스트하고 작동 여부 등을 판별. 대표적으로는 EDS (Electrical Die Sorting), Probe test 등이 있다. 테스팅을 거친 웨이퍼는 다이아몬드 절단기나 레이저 광선으로 개별 절단을 한다.

 

 - 절단된 작은 칩은 전자 기계 맞는 포장 형태를 갖추어야 한다. 이 과정을 패키징이라고 하는데, 금속기판, 즉 프레임에 칩을 고정하여 전기적으로 연결되게 한다. 그리고 그 위에 에폭시 수지 등으로 모양을 만들어 반도체를 밀봉한 후 제품명을 새기면 반도체 칩이 완성된다. 

 

 

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- 공정이 다양한만큼 웨이퍼 가공 단계까지를 '전공정' 그리고 검사와 패키징 과정을 '후공정'이라고 부르기도 한다. 

 

 -  반도체 공정을 알아본 이유는 우리가 접하는 수많은 반도체 기업들이 공정에 따라 쉽게 이해할 수 있기 때문. 삼성전자와 같이 반도체 설계부터 제작 전 공정을 수행할 수 있는 기업을 '종합 반도체 기업'이라고 하며, 생산설비 없이 설계에 주력하는 업체를 '팹리스 (Fabless)', 설계도면에 따라 웨이퍼 가공하는 '파운드리 (Foundry)' 그리고 검사와 패키징을 도맡아 하는 패키징 업체로 구분 가능

 

 

  - 그리고 나노공정을 가능하게 하는 수많은 장비업체들과 공정에 필요한 가스, 화학물, 가구 등을 생산하는 소재 업체들이 톱니바퀴처럼 맞물려 반도체 산업을 굴러가게 합니다

 

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