반도체 제조 공정

반도체는 약 600~700 가지의 작업을 거쳐 만들어집니다. 이러한 공정을 크게는 전공정과 후공정으로 구분합니다. 전공정에는 웨이퍼, 산화, 노광, 식각, 이온주입, 증착, 금속배선, 연마 세정 등의 대표적인 공정이 포함되어 있습니다. 후공정에는 EDS, 패키징, 패키지 테스트 등의 대표적인 공정들이 포함되어 있습니다.

 

구분	설명
전공정	웨이퍼 위에 반도체 집적 회로를 각인하는 과정
후공정	웨이퍼 위에 각인된 반도체 집적 회로들을 낱개로 잘라 패키징하는 과정

반도체 제조 공정

그림에는 각 공정들이 정확히 구분되어 순서대로 진행되는 것처럼 표현 되어 있지만 실제의 공정은 더 복잡하고 경계가 모호합니다. 동일한 공정이 반복적으로 실행되기도 하고, 공정이 중첩되기도 하며, 상황에 따라 공정의 추가되거나 생략되기도 합니다. 여기서는 최대한 단순화 해서 살펴 보도록 하겠습니다.

웨이퍼 공정

웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등으로 만들어진 얇은 판입니다. 이 얇은 판 위에 얇고 미세한 반도체 집적회로를 부착해서 반도체를 만듭니다. 웨이퍼를 만들기 위해서는 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹인 후, 이것을 굳혀서 잉곳(Ingot)이라고 부르는 실리콘 기둥을 만듭니다. 이 잉곳을 다이아몬드 톱으로 자르고, 표면을 연마액과 연마 장비로 매끄럽게 갈아 내서 웨이퍼를 만듭니다. 이 상태의 웨이퍼를 베어 웨이퍼(Bare wafer)라 부릅니다.

 

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산화 공정

산화공정은 웨이퍼에 앏은 산화규소(SiO2) 막을 입히는 공정입니다. 산화막은 기본적으로 웨이퍼와 웨이퍼 위에 그려지는 배선 사이의 전기가 통하는 것을 방지하는 절연막 역할을 합니다. 아울러 이후의 이온주입 공정에서는 확산 방지막 역할을 하고, 식각 공정에서는 필요한 부분까지 식각되는 것을 막아 주는 식각 방지막 역할을 합니다. 

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노광 공정

노광 공정은 산화 처리된 웨이퍼 위에 반도체 회로 패턴을 그려넣는 공정입니다. 먼저 웨이퍼 산화막 위에 감광액(Photo Regist)을 도포합니다. 그리고 회로 패턴이 그려져 있는 마스크(Photo Mask)를 대고 빛을 쏘여 줍니다. 그러면 빛을 받은 감광액 부분의 성질이 변화되는 데 이때 현상액을 뿌려 불필요한 감광액 부분을 제거해서 회로 패턴을 완성합니다.

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식각 공정

식각 공정은 노광 공정을 통해 웨이퍼 위에 각인된 회로 패턴 중에 필요한 부분만 남기고 불필요한 부분을 깎아 내는 공정입니다. 먼저 감광액이 없는 부분의 산화막을 깎아내고, 최종적으로는 감광액을 제거해서 회로 패턴의 산화막만 남도록 합니다. 

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이온주입 공정

이온주입 공정은 부도체인 실리콘 웨이퍼에 불순물을 주입해서 반도체적인 전기적 성질를 부여하는 공정입니다. 인(P), 비소(As), 붕소(B) 등의 원소를 이온화 해서 고 에너지 이온 빔으로 가속화 시켜 웨이퍼에 주입한 후 고온 열처리를 하여 웨이퍼 내부로 확산 시키는 방법으로 진행합니다.

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증착 공정

증착 공정은 1마이크로미터(μm) 이하의 얇은 막(박막, thin film)을 입히는 공정입니다. 반도체를 만들기 위해서는 여러 겹의 박막이 웨이퍼 위에 입혀 지게 됩니다. 각각의  박막은 역할이 서로 다르며, 역할에 따라 다양한 소재가 사용됩니다. 앞서 살펴 본 산화 공정은 증착 공정의 일종이고 아래의 금속배선 공정도 증착 공정의 일종입니다.

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금속배선 공정

금속배선 공정은 웨이퍼 위에 각인된 회로 패턴의 전기가 통해야 하는 부분에 금속선을 연결하는 공정입니다. 금속으로는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 구리(Cu) 등을 주로 사용합니다. 금속배선 공정은 앞에서 살펴본 증착 공정의 일종입니다.

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연마 공정

연마(CMP, Chemical Mechanical Polishing) 공정은 웨이퍼 위에 증착된 박막들을 화학적 작용과 물리적 작용을 통해서 평탄화 또는 제거 해 주는 공정입니다. 연마 공정은 웨이퍼 위에 새로운 박막을 쌓아 올릴 때마다 진행되는 작업입니다. 쌓아 올린 박막에 따라 연마 목적과 연마 방법이 달라 집니다.

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세정(Cleaning) 공정

세정 공정은 반도체 제조 공정을 진행하면서 웨이퍼 표면에 남는 잔류물을 제거하는 공정입니다. 잔류물을 제거하지 않으면 최종적으로 완성된 반도체의 성능과 신뢰성에 치명적인 악영향을 끼치게 됩니다. 그래서 세정 공정은 600~700개의 전체 공정 중 15% 정도를 차지할 정도로 중요한 공정입니다.

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EDS 공정

EDS(Electrical Die Sorting) 공정은 반도체 칩 패키징 공정 전에 웨이퍼 상의 반도체 칩들의 품질을 테스트 하는 공정입니다. 웨이퍼 상의 반도체 칩들 중 불량품을 선별해서 수선을 하거나 수선이 불가능 할 경우 파기를 합니다. 

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패키징 공정

패키징 공정은 웨이퍼 위의 반도체 칩들을 하나하나 잘라내고, 외부와 전기 신호를 주고 받을 수 있는 길을 내 주고, 외부 충격에 파손되지 않도록 포장을 하는 공정입니다.

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패키지 테스트 공정

패키지 테스트 공정은 반도체 완제품 완성 후,  출하전에 불량여부를 선별하기 위해 최종적으로 진행하는 테스트 공정입니다. 반도체를 테스트 장비(Tester)에 넣고 다양한 조건의 전압, 전기신호, 온도, 습도 등을 가하면서, 반도체가 해당 조건별로 어떤 전기적 특성, 기능적 특성, 동작 속도 등을 보이는 지를 측정합니다.  이 결과를 분석해 양품(Go)과 불량품(No-Go)을 판정하게 되고, 결과를 제조공정과 조립공정에 피드백함으로써 품질 개선에도 기여하게 됩니다.