반도체 8대공정 2탄, 웨이퍼(Wafer) 공정 개념정리

반도체 8대공정 2탄, 웨이퍼(Wafer) 공정 개념정리

 

 

웨이퍼란 무엇일까요? 비유적으로 설명하자면 피자를 만들기 위한 기초재료인 도우가 반도체에서는 웨이퍼라고 할 수 있습니다. 웨이퍼라는 얇은 원판 위에 토핑을 추가하는 것처럼 다수의 동일회로를 새겨 넣어서 반도체 집적회로(Semiconductor Integrated Circuit)가 탄생하게 됩니다. 이처럼 웨이퍼는 반도체 산업에서 기초재료라고 할 수 있습니다.

웨이퍼는 실리콘(Si)이나 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물을 성장시켜서 만든 단결정 기둥(Ingot)을 다이아몬드 커팅기로 일정 두께로 얇게 커팅한 원판을 의미합니다. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 실리콘(Si)로 제조합니다. 이로 인한 이점은 지구상에 널려있는 모래에서 실리콘을 추출하므로 안정적으로 재료수급이 가능하고 독성이 없기 때문에 환경적으로도 우수한 장점이 있습니다.

 

 

 

 

- 실리콘 웨이퍼 제조공정 정리

 

1. 웨이퍼의 기초가 되는 잉곳(Ingot) 만들기

모래에서 추출한 실리콘은 불순물이 많이 존재합니다. 그러므로 웨이퍼로 만들기 위해서는 고순도의 실리콘으로 정제하는 과정이 필요하게 됩니다. 방법은 실리콘을 뜨거운 열로 녹여서 고순도의 실리콘 용액으로 만듭니다. 여기서 실리콘을 성장시켜 Ingot으로 만들어야 하는데요, 실리콘 결정 성장 기법으로 두 가지가 있습니다. 바로 초크랄스키(Czochralski)법과 플로팅존(Floating Zone)법이 있습니다.

 

 

 

 

- 초크랄스키(Czochralski)법

Polycrystalline(다결정) 실리콘을 도가니에 투입하여 열을 가해 녹입니다. 녹아있는 실리콘 용액 위 표면에 Single Crystal(단결정) 실리콘인 Seed를 접촉시킵니다. 그 후 접촉한 Seed를 회전시키며 위로 끌어올립니다. 이 때, 고체 상태와 액체 상태 계면에서 냉각이 일어나면서 Ingot으로 Seed가 성장합니다. 이 실리콘 결정 성장 기법이 바로 초크랄스키(Czochralski)법이 되겠습니다.

 

 

 

 

- 플로팅존(Floating Zone)법

Polycrystalline 실리콘이 수직으로 달려 있고 그 아래에는 Seed가 있습니다. 회전을 시키며 국부적으로 가열을 하여 Melting Zone을 만듭니다. 이 Melting Zone과 Seed가 맞닿으면 Seed를 아래로 내려주면서 Ingot으로 성장시킵니다. 플로팅존법은 초크랄스키법 보다 더 순도가 높은 Ingot을 제조할 수 있다는 장점이 있습니다.

 

 

 

 

2. Ingot을 커팅하여 웨이퍼 만들기(Wafer Slicing)

Ingot의 말단은 제거하고 다이아몬드 커팅기로 일정 두께로 얇게 커팅합니다. 커팅된 얇은 원판이 바로 웨이퍼가 되고 그로인해 Ingot의 지름이 웨이퍼의 크기를 결정합니다. 현재 제조단가를 낮추기 위해서 웨이퍼를 최대한 얇고 웨이퍼의 크기를 키우는데 초점을 맞추고 있습니다.

* 2000년대 중후반에 들어서는 Diamond Blade 대신 Diamond Wire Saw를 사용하고 있습니다.

 

 

 

 

3. 웨이퍼 표면을 연마하기(Lapping & Polishing)

웨이퍼는 Ingot을 만들고 다이아몬드 커팅기로 커팅을 하여 만들었기 때문에 표면이 아주 거칠고 흠결이 많아 실제 반도체 공정에 활용할 수 없습니다. 따라서 표면을 연마액과 연마장비로 웨이퍼 표면을 매끈하게 만들어줍니다.

 

 

 

위 3가지 공정단계를 거쳐야만 반도체 공정 기초재료로써 웨이퍼를 사용할 수 있게 됩니다.

이제 만들어진 웨이퍼의 세부명칭에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

- 웨이퍼 세부명칭 정리

 

1. 웨이퍼(Wafer) : 반도체 IC의 기초재료로 원판을 의미합니다.

 

2. 다이(Die) : 웨이퍼 표면상에 작은 사각형들이 밀집해있습니다. 이 작은 사각형들이 바로 IC칩이고 Die라고 부릅니다.

 

3. 스크라이브 라인(Scribe Line) : Die 간 간격을 Scribe Line이라고 합니다. IC칩을 하나하나 자르기 위해 Scribe Line을 두게 됩니다.

 

4. 플랫존(Flat Zone) : 웨이퍼의 구조를 구별하기 위해 웨이퍼 작은 영역을 Flat하게 만든 것을 의미합니다. 이 플랫존은 웨이퍼 가공 시 기준선이 되며 웨이퍼의 수직과 수평 기준을 나타냅니다.

 

5. 노치(Notch) : 플랫존으로 웨이퍼의 구조를 구별하는 것 보다 Notch로 구별하는 것이 웨이퍼 면적을 덜 차지해 더 많은 Die를 만들 수 있어서 현재는 Notch도 많이 사용하고 있습니다.

- 웨이퍼공정 영상시청

웨이퍼공정에 대한 이해를 돕기 위해 동영상 하나를 준비했습니다.

출처 : <Silicon Wafer Production by MicroChemicals>-YouTube