반도체 8대공정 1편(1.웨이퍼 제조 2.산화 공정 3.포토 공정)

이 글은 반도체의 전반적인 흐름을 이해하여, 투자에 도움이 되기 위함이다. 사실상. 더욱 세부적으로 들어가면, 매우 어렵고 복잡하다.

반도체 8대 공정은, 1. 웨이퍼 제조 2, 산화공정 3. 포토공정 4, 식각 공정 5. 증착, 이온 주입 공정 6. 금속 배선 공정 7.EDS공정 8. 패키징 공정으로 나눈다. 흔히, 금속 배선 공정인 6번까지의 공정을 "전공정"이라 하고, 7,8번의 공정을 "후공정"이라 한다.

오늘은 1~3번까지의 공정에 대해 이야기하겠다.

공정 설명에 앞서, 반도체에 대해 개념 이해를 위해  설명하자면, 

금속 규소(Silicon)의 모습

반도체의 주재료가 되는 웨이퍼의 원재료는, 규소(실리콘, Silison)이다. 규소의 특성이, 전기전도도가 낮고, 저항이 높다. 이러한 웨이퍼에, 이물질을 넣어, 상황에 따라, 전기를 통하게도, 안 통하게도 하는 반도체를 만든다. 반도체는 단어 그대로 반은 도체, 즉, 상황에 따라, 전기가 흐르 게도, 안 흐르게도 할 수 있어 붙여진 이름이다. 웨이퍼라는 이름은 웨하스에서 유래된 말로 격자무늬를(웨하스 무늬) 가지고 있다고 붙여진 이름이다. 이 격자무늬 하나가 반도체 하나가 되는 것이기에, 웨이퍼의 두께가 얇고 크기가 클수록 하나의 잉곳으로 많은 반도체를 만들어 낼 수 있어 더 얇고 크게 만드는 것이 추세다. 8인치 웨이퍼, 12인치 웨이퍼라는 말을 들어봤을 것이다. 12인치 웨이퍼에는, 좀 더 높은 공정의 반도체 칩이 생산된다고 생각하면 된다. 반도체를 고층 건물이라 하면, 웨이퍼는 건물의 기본이 되는 땅이라 이해하면, 쉬울 듯싶다.

웨하스 모양, 격자 무늬 모양의 웨이퍼 모양/ 여기서 격자 무늬 하나를 칩(chip), 다이(die)라 불른다

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1. 웨이퍼 제조

 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소(실리콘, Silison)로 만들어졌다. 모래를 뜨거운 열로 녹여 순도 높은 실리콘 용액을 만든다. 이 실리콘 용액을 굳히면 "잉곳"(Ingot)이라는 실리콘 원형기둥이 된다. 이 "잉곳"을 얇게 슬라이스 해서 잘라내면 여러 개의 원판이 나오는데 이것을 "웨이퍼"라 하는 것이다. 바로 절단된 웨이퍼의 표면은  거칠고 흠집이 있는데 정밀도에 영향을 주기에 매끄럽게 갈아 줘야 한다. 이 연마 단계 후 세척과 품질 검사가 웨이퍼 제조의 마지막이다. 

 

잉곳을 만드는 기계 및 제조 방법을 도식화

완성된 잉곳(Ingot)의 모습

 

잉곳(Ingot)을 얇게 슬라이스한 웨이퍼의 모습

2. 산화 공정

웨이퍼는 아직 전기가 통하지 않는 부도체 상태이기 때문에, 반도체의 성질을 가질 수 있도록 산화(O2) 공정을 한다. 이 산화막은 웨이퍼를 보호해주는 보호막으로 반도체 제조 과정에서 웨이퍼의 표면을 보호하며 앞으로 그려질 회로 사이의 누설 전류가 흐르는 것을 막아준다. 여기서 산화하는 방식에 따라 건식 산화와, 습식 산화로 나뉜다.

 

1) 건식 산화
산소(O2) Gas를 주입하여 산화막(SiO2) 생성하는 방식으로,  산화막 생성에 소요되는 시간이, 습식 산화의 10~20% 정도로 오랜 시간이 걸리지만, 얇고 균일한 막을 만들 수 있어, 높은 절연성과 좋은 전기적 특성을 지닌다. 고퀄리티(Quality)여서, 주로 중요도가 높은 곳에 쓰인다.

2) 습식 산화
수증기(H2O)를 주입하여 산화막(SiO2)을 만드는 것으로 산화막 시간이 건식보다, 매우 빠르지만, 막질의 퀄리티(Quality)가 건식에 비해, 좋지 않다. 즉, 두껍고 균일하지 못한, 산화막을 생성한다. 그러기에 낮은 절연성과, 좋지 않은 전기적 특성을 지니어, 주로 중요도가 낮은 곳에 쓰인다.

건식 산화와 습식 산화 공정의 특징 비교

 

산화막이 형성된 웨이퍼의 표면

* 사실상 두 공정은 장단점이 명확하기에, 건식 방식의 단점인 속도를 보완해 주기 위해 습식 방식을 혼용하여 사용하고 있다. 다양한 방법으로 건식 산화의 속도를 올려주는 연구와 개발을 진행 중이다.

 

3. 포토(Photolithography) 공정

설계된 회로를 웨이퍼에 그리는 공정이다. 총 4단계로 구성되어 있다.

1) PR 도표 작업

 웨이퍼 위에, 인화지(먹지, PR)를 도표 하는 작업으로, 그러기 위해서 표면에 감광액을 도포해 준다. 이 감광액을 포토레지스트, PR이라 한다. 이때 중요한 것이 있는데 골고루 균일한 두께로 도포되어야 한다는 것이다. 그래서, 회전하는 웨이퍼에 PR을 뿌려준다.(스핀온 코팅 방식, Spin on coating)

스핀온 코팅 방식의 진행과정

2) 노광 공정

MASK(레티클)는 얇은 유리막으로 웨이퍼에 패터닝을 형성시켜 주는(그림을 그려주는) 아주 중요한 작업으로 회로 패턴이 담긴 MASK(레티클) 위로 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 찍어낸다.(이를 패터닝한다고 한다) 이때, 투영된 빛의 4분의 1로 축소된 형태로, 웨이퍼에 일정하게 반복적으로 새기는 것이 노광 공정이다. 이 노광 공정은, 포토 공정 중에서 핵심이 되는 공정으로 여기서 패턴을 미세하게 그려내느냐가 반도체의 퀄리티를 나타낸다. 반도체의  퀄리티를 나타내는, 핵심 요소인, P P A, 즉, 전력(Power), 성능(Performance), 면적(Area)과 직결된다. 패턴을 미세하게 그린다는 것은, 작은 면적에 패턴을 그려 넣을 수 있다는 것이고 그만큼 전력이 줄어들고 면적 대비 성능을 향상할 수 있는 것이다. 이렇듯, 얼마나 집적도를 높일 수 있느냐가, 반도체 기술의 핵심이라 볼 있다. 과거 ArF라는 자외선을 활용한 DUV는 193nm 파장대(굵은 연필심)를 가지고 있고, 현재 각광받고 있는 미세공정의 핵심인 EUV(Extrem UltraViolet)는 극 자외선으로,  13.5nm의 아주 짧은 파장의 빛으로 미세한 그림(패턴)을 그릴 수 있도록 한다. 여기서, EUV광원(얇은 연필심)을 활용하여 패턴을 그릴 수 있도록 연필의 역할을 하는 것을 "EUV 스캐너"라고 한다. 

* EUV 관련 기술이 실제로 구현된 최고 난도의 신기술이다. EUV 다음의 기술들이 연구되고 있지만, 아직 갈길이 멀어 보인다. 앞으로 반도체의 기술력의 차이는 EUV에 달려있다 해도 무방해 보인다.

위의 EUV SCANNER는 네덜란드의 ASML에서 전 세계 독점 공급하고 있다.

노광공정 도식화

3) 현상

노광 공정이 끝나면 현상액을 골고루 뿌려주는데 빛을 받은 영역과 받지 않은 영역을 더욱 분명하기 위해 빛을 받거나 받지 않는 영역을 선택적으로 제거하여(식각, Etching) 필요한 회로 패턴만 남기는 작업을 하게 된다.
이때, 노광 된 부분이 제거되는 방식을 Positive, 노광된 부분만 남아있는(제거되지 않는) 방식을 Negative라고 한다.

 

현상 공정 중 positive와 negative 비교 그림

4) 패터닝 검사

패턴이 잘 그려졌는지 확인하는 단계로, 원하는 패턴으로 잘 그려졌는지 꼼꼼하게 확인한다. 여기서, 최종 통과되어야 다음 단계로 넘어간다.

 

목각 공정에 필요한 도구 (반도체 노광 공정과 패터닝공정이해를 돕기위한)그림

이해를 돕기 위해, 나무를 목각한다고 하자. 평평한 나무 원목을 웨이퍼, 먹지(인화지)는 PR, 그림이 그려져 있는 고림지(패턴이 그려져 있는)는 MASK라고 한다면, 포토공정은 그림지(MASK)에 얼마나 얇은 펜으로(미세한 EUV 빛의 패턴), 그림 지를 따라먹지(PR)와 반응하여 나무 원목(웨이퍼)에 그림(패턴)이 그려지는 원리라 할 수 있다. 밑그림이 그려진 나무 원목인 MASK에 밑그림에 따라 조각칼로 불필요한 부분을 제거하여, 음각, 양각으로 표시하는 것을 현상이라 한다. 밑그림대로 조각이 잘됬는지를 확인하는 작업을 "패터닝 검사"라고 한다.

 

여기까지 반도체 8대 공정 중 1~3단계(1. 웨이퍼 제조 2, 산화공정 3. 포토공정)까지 알아봤습니다. 반도체에 투자를 하시는 분들이라면 기본적으로 알아야 한다고 생각됩니다.