오늘은 우리나라 제조업의 가장 큰 부분을 차지하는 반도체의 8가지 공정에 대해 말씀드리겠습니다.
제가 하던 실험도 그 과정에서 비슷한 부분이 있어서 관심을 갖고 공부하게 되었습니다.
우선 반도체에 대해 간단히 소개하고 추후에 설명하도록 하겠습니다.
반도체 정의
간단히 말해서 반도체는 도체와 절연체의 절반의 특성을 가지고 있습니다.
반도체는 또한 전기가 통과할 수 있는 ‘전도성’을 가지고 있기 때문에 전기를 통해 자유롭게 흐를 수 있습니다.
반도체는 각종 기기를 만드는 데 쓰이며 컴퓨터, 휴대폰, 디지털 카메라 등 각종 전자제품에서 중요한 역할을 한다.
반도체는 일반적으로 실리콘으로 만들어지며, 반도체 웨이퍼라는 평평한 실리콘 디스크에서 다양한 소자를 만들기 위해 다양한 공정이 수행됩니다.
반도체 제조 기술이 고도화되어 이를 통해 마이크로 디바이스를 만드는 것이 가능하다.
이 작은 장치는 전자 제품의 성능과 기능을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.
* 이 실리콘 웨이퍼는 순도가 매우 높아 다양한 실험에 사용됩니다.
사용시 살짝 홈을 낸 후 집게로 옆면을 잡고 비틀어 잘 갈라지도록 합니다.
(반도체 8대 공정 한눈에 보기)
1. 웨이퍼 제조 공정
웨이퍼 가공 공정: 웨이퍼라고 불리는 실리콘 디스크로부터 트랜지스터, 다이오드, 커패시터 등의 부품을 만드는 공정입니다.
– 잉곳 만들기
실리콘은 모래에서 추출되어 녹은 다음 성장하여 잉곳을 형성합니다.
이때 순도 99.999999999% 이상의 고순도 소재를 사용한다.
웨이퍼를 만들기 위해 얇은 조각으로 자릅니다.
– 웨이퍼 분류 및 세정
컷 웨이퍼는 중대한 불순물이 없는지 확인하기 위해 스크리닝됩니다.
그런 다음 웨이퍼는 산화 처리와 함께 물로 세척됩니다.
– 미세 산화 및 연마, 청소 및 검사
이 공정은 웨이퍼 표면에 미세한 산화막을 형성한다.
이렇게 형성된 산화막은 표면을 보호하고 다음 공정에서 사용할 마스크와 잘 접착된다.
그리고 웨이퍼 표면을 연마하여 매끄러운 표면을 만듭니다.
2. 산화공정(화학기계연마공정)
CMP(Chemical Mechanical Planarization): 웨이퍼 표면을 평탄하게 연마하는 공정입니다.
CMP(Chemical Mechanical Planarization)는 실리콘 웨이퍼의 평탄도를 향상시키기 위해 사용되는 반도체 제조 공정 중 하나입니다.
CMP 공정은 반도체 공정에서 가장 중요한 공정 중 하나로 반도체 소자의 소형화에 필수적인 공정이다.
CMP 공정은 기계적 연마와 화학 반응을 결합하고 부드러운 패드가 있는 액체 연마액을 사용합니다.
패드 위에 웨이퍼를 놓고 패드와 웨이퍼 사이를 회전하면서 액체 연마액을 사용하여 웨이퍼를 부분적으로 연마합니다.
– 연마
웨이퍼를 회전 패드 위에 올려 놓고 연마액이 부착된 폴리우레탄 패드를 사용하여 웨이퍼 표면을 부드럽게 연마합니다.
연마액은 일반적으로 이산화규소, 금속 이온, 알칼리 또는 산으로 구성되며 웨이퍼를 연마하고 연마된 부분을 제거하는 데 사용됩니다.
– 평탄화
평탄화 공정에서는 연마된 부분을 제거하여 웨이퍼 표면을 평탄화한다.
평탄화는 다양한 방법으로 수행할 수 있습니다.
일반적으로 패드와 웨이퍼 사이에 연마액을 조절하여 웨이퍼 표면을 매끄럽게 만든다.
– 씻다
마지막으로 CMP 공정 후 웨이퍼를 철저히 세척하여 모든 불순물을 제거합니다.
이 단계에서 웨이퍼는 물로 세척되고 최종적으로 에어 드라이어를 사용하여 건조된다.
CMP 공정은 각종 반도체 소자를 만드는데 필수적이다.
CMP는 반도체 장치의 평탄도를 개선하고 더 높은 장치 밀도와 더 높은 성능을 달성할 수 있습니다.
3. 사진 공정, 노광 공정
리소그래피: 마스크를 사용하여 웨이퍼에 패턴을 형성하는 공정입니다.
반도체의 꽃이라고 할 수 있는 부분이다.
이전 포스팅에서 말씀드렸지만 이번에 다시 설명드리겠습니다.
이 공정은 광선을 사용하여 실리콘 웨이퍼 표면에 패턴을 형성하여 반도체 장치를 만듭니다.
이 프로세스는 원하는 성능을 달성하기 위해 반도체 장치의 크기, 모양 및 배치를 정확하게 제어하는 데 중요합니다.
노출 프로세스는 다음 단계로 구성됩니다.
– 마스크 만들기
노출 공정의 첫 번째 단계는 마스크 제작입니다.
마스크는 반도체 웨이퍼에 투영될 패턴을 나타내는 반도체 마스크이다.
마스크는 광학 장비에 사용됩니다.
– 광원
두 번째 단계는 광원을 사용하여 글로우를 만드는 것입니다.
광원은 Xeon 램프, 아르곤 램프 또는 레이저를 사용하여 고강도 광선을 생성할 수 있습니다.
노출 과정
노광 공정은 광선을 사용하여 마스크에 생성된 패턴을 웨이퍼에 전달합니다.
광선은 렌즈를 사용하여 패턴을 줄이고 패턴을 웨이퍼의 민감한 반도체 표면으로 전송합니다.
반도체 표면에 입사되는 빛의 각도와 파장에 따라 광선의 패턴이 변형될 수 있기 때문에 이를 제어하기 위해 다양한 광학 장비를 사용한다.
– 치료 후
노광 공정 후 반도체 웨이퍼는 후가공 공정을 거쳐 완성된다.
후처리 공정은 반도체 웨이퍼의 표면을 처리하여 반도체 소자를 형성하는 공정이다.
이 공정에서는 박막 제거, 이온주입, 도파로 형성 등 반도체 소자를 형성하기 위해 필요한 추가 공정을 수행한다.
노출 공정은 원하는 성능을 달성하기 위해 반도체 장치의 크기, 모양 및 배치를 정확하게 제어하는 데 중요합니다.
4. 에칭(구조화 공정)
구조화 공정(Etching): 이 공정은 마스크에 의해 형성된 패턴을 따라 웨이퍼 표면을 절단합니다.
식각은 반도체 제조 공정 중 하나로 반도체 웨이퍼의 표면을 식각해 반도체 소자를 만드는 공정이다.
이 공정은 반도체 웨이퍼 표면을 식각하는 방식에 따라 화학적 식각과 물리적 식각으로 구분된다.
화학 에칭은 반도체 표면에 적용된 화학 물질을 사용하여 반도체 표면을 부식시키는 공정입니다.
이 공정에서는 반도체 웨이퍼 표면에 균일한 패턴을 형성하기 위해 마스크를 사용한다.
마스크는 웨이퍼의 일부 영역을 보호하여 해당 영역이 부식되지 않도록 합니다.
마스크를 적용한 후 화학 물질을 사용하여 마스크로 보호되지 않은 부분을 부식시키고 마스크로 보호된 부분은 보호된 상태로 유지됩니다.
물리적 식각은 반도체 웨이퍼 표면을 침식시키는 물리적 공정을 이용해 반도체 소자를 형성하는 공정이다.
이 공정은 주로 반도체 웨이퍼 표면에 이온을 충돌시켜 부식시키는 방식으로 수행됩니다.
이온 충돌을 통해 반도체 표면의 분자가 부서지고 부식됩니다.
일관된 패턴을 만들기 위해 이 프로세스에서 마스크를 사용할 수도 있습니다.
식각을 통해 원하는 패턴을 만들어 반도체 소자를 만듭니다.
이 공정은 반도체 소자의 정확한 크기와 모양, 배치를 제어할 수 있어 반도체 제조에 매우 중요한 역할을 한다.
5. 박막 공정
박막 공정: 반도체 웨이퍼 표면에 박막을 코팅하여 반도체 소자에 필요한 다양한 기능을 수행하는 공정입니다.
박막 공정은 반도체 제조 공정 중 하나로 반도체 웨이퍼에 박막을 코팅하는 공정이다.
박막은 반도체 소자에서 다양한 기능을 수행하기 위해 적용되며, 반도체 웨이퍼 표면에 균일한 박막을 적용해야 합니다.
박막 공정은 크게 화학기상증착법(CVD)과 물리기상증착법(PVD)으로 나뉜다.
화학기상증착은 반도체 웨이퍼에 화학가스를 공급해 반응을 일으켜 새로운 분자를 생성해 반도체 표면에 박막을 형성하는 공정이다.
이 공정은 반도체 웨이퍼 표면에 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있다.
물리기상증착은 반도체 웨이퍼 표면에 원자나 이온 등의 입자를 충돌시켜 박막을 형성하는 공정이다.
이 프로세스는 대부분의 금속 재료에 적용됩니다.
물리기상증착은 주로 전자빔증착, 스팅어증착, 이온증착 등의 방법으로 이루어진다.
박막 공정은 반도체 제조에서 기술적으로 가장 복잡한 공정 중 하나입니다.
박막의 두께, 합성속도, 반응조건 등을 정밀하게 제어해야만 원하는 특성의 박막을 형성할 수 있다.
이러한 박막은 반도체 소자에서 다양한 기능을 수행하는 데 중요한 역할을 한다.
* 개인적으로 좋아하는 부분이라 나중에 더 공부해보도록 하겠습니다.
6. 배선 공정, 열처리 공정
배선 공정은 반도체 칩과 실리콘 기판 및 기타 구성 요소 간의 전기적 연결을 가능하게 하는 반도체 제조 공정의 한 단계입니다.
배선 공정은 반도체 칩 내부와 외부 모두에서 이루어집니다.
칩 내부에는 금속선을 여러 층으로 쌓아 서로 연결한다.
칩 외부에는 칩과 기판 간 또는 칩과 패키지 간 전기적 연결을 위한 패드와 금속배선이 형성된다.
배선 공정에는 다양한 공정이 사용됩니다.
먼저 리소그래피 공정을 통해 배선 패턴을 적층한다.
이후 금속층을 증착하는 공정, 배선의 금속층을 벗겨내어 패드에 연결하는 공정, 마스크를 이용하여 불순물을 제거하는 공정이 있다.
배선 공정은 반도체 제조 공정에서 매우 중요한 단계입니다.
다양한 부품은 전기적 연결을 통해 상호 작용하며 반도체 제품의 전반적인 성능을 결정합니다.
따라서 배선 공정의 품질과 정확도는 제품 품질과 성능에 큰 영향을 미칩니다.
이를 위해서는 첨단 기술과 장비를 활용한 정교하고 정밀한 배선 공정이 이루어져야 합니다.
열처리 공정(Annealing) : 웨이퍼를 고온으로 가열하여 도핑된 부분을 확산시켜 반도체 소자의 전기적 특성을 향상시키는 공정입니다.
열처리 공정은 반도체 제조 공정 중 하나로 반도체 소자 제조에 필요한 다양한 공정 중 하나이다.
이 공정은 반도체 웨이퍼나 소자에 열을 가해 다양한 변화를 일으키는 공정이다.
열처리 공정은 다양한 방식으로 수행됩니다.
가장 기본적인 방법은 반도체 소자를 가열하는 것입니다.
이 방법은 소자 내부의 결함을 제거하고 소자의 전기적 특성을 향상시키는 데 사용됩니다.
또한 반도체 소자를 가열하여 원하는 구조로 변형시키는 것도 가능합니다.
또 다른 방법은 반도체 장치에 이온을 주입하는 것입니다.
이 방법은 장치의 특성을 변경하거나 특정 구조를 형성하는 데 사용됩니다.
예를 들어, 이온 주입 공정은 MOSFET 장치의 저항 값을 조정하는 데 사용됩니다.
열처리 공정을 통해 반도체 소자의 전기적, 물리적 특성을 제어할 수 있어 반도체 소자의 성능 향상에 기여한다.
7. 테스트 프로세스
반도체 제조가 완료되면 반도체 장치의 기능을 검증해야 합니다.
이를 위해 테스트 프로세스가 수행됩니다.
테스트 프로세스는 다양한 기술을 사용하여 반도체 장치의 전기적, 기계적 및 광학적 특성을 검사합니다.
이를 통해 장치가 올바르게 작동하는지 확인하고 오류를 식별하고 수정할 수 있습니다.
테스트 프로세스는 다양한 단계에서 수행됩니다.
공정 제어를 위한 테스트는 제조 공정 중간에 수행되며 최종 검사는 제조 완료 후 수행됩니다.
이를 통해 모든 반도체 장치는 출하 전에 품질 검사를 거쳐 안정적인 작동을 보장합니다.
테스트 프로세스에는 다양한 기술이 사용됩니다.
예를 들어 전기적 특성은 DC 및 AC 테스트를 사용하여 측정하고 광학적 특성은 레이저 간섭계와 같은 광학 기술을 사용하여 측정합니다.
테스트 공정은 반도체 제조 공정의 중요한 부분으로 반도체 소자의 품질을 보장하는데 매우 중요한 역할을 합니다.
8. 포장(후공정)
후공정(패키징) : 반도체 소자를 보호하고 외부와 연결하기 위해 다양한 패키지를 적용하는 공정입니다.
패키징 또는 후처리는 반도체 제조 공정의 마지막 단계로, 반도체 소자를 보호하고 외부 환경에서 사용할 수 있도록 합니다.
패키징 프로세스는 다양한 단계로 구성됩니다.
먼저 다양한 패키지 형태로 적용될 수 있도록 반도체 칩을 준비한다.
이 프로세스에는 칩에 전기 연결을 위한 패드를 추가하고 필요한 보호 및 라우팅 요소를 추가하는 작업이 포함됩니다.
다음으로 패키지에 반도체 칩을 실장한다.
반도체 칩과 패키지를 연결하고 패키지를 보호하기 위한 특수 소재를 적용하는 공정이다.
이 프로세스는 칩에 대한 물리적 보호를 제공하고 칩과 다른 장치 사이에 전기적 연결을 제공하는 데 중요합니다.
마지막으로 라벨과 마킹을 패키지에 적용하여 제품을 완성합니다.
포장에 부착된 라벨 및 기타 정보를 추가하고 원활한 유통을 위해 제품을 포장하는 과정입니다.
패키징 공정은 외부 환경에서 반도체 소자의 사용성과 신뢰성을 확보하기 위해 매우 중요합니다.
반도체 소자의 크기와 형태, 소비전력, 신뢰성 등을 고려하여 적절한 패키지를 선택하고 설계하는 것이 필요하다.
이를 통해 제품의 품질과 성능을 최적화하고 시장에서 경쟁력을 갖추도록 할 수 있습니다.
이 8가지 공정은 반도체 제조의 핵심 공정으로 고도의 기술과 정교한 제어 시스템이 필요합니다.
이 프로세스를 이해하고 산업에 적용하는 것이 중요합니다.
전 과정을 이해하고 반도체 산업의 전반적인 내용을 이해하자
다음에는 업계의 동향이나 전반적인 동향에 대해 공부해 보도록 하겠습니다.
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