오늘은 반도체 이야기 세번째 시간으로 반도체의 8대 공정 중 웨이퍼 제조에 대해 알아보도록 하겠다. 

반도체는 기술집약적 첨단제품이다. 

일반적으로 8개 분야로 나뉘는데 고도의 기술이 필요하기 때문에 공정이 세분화되어 있다.

반도체 공정의 첫번째는 웨이퍼 제조이다.

웨이퍼(Wafer)는 반도체 집적회로(Semiconductor Integrated Circuit)의 핵심 재료이며, 주로 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs/Gallium arsenide/비소화 갈륨) 등으로 이뤄진다.

실리콘 등을 성장시켜 단결정 기둥을 만든 후 적절한 두께로 얇게 자르면 원판이 형성되는데 이것을 반도체 웨이퍼라고 한다.

대다수의 웨이퍼는 실리콘으로 이뤄지는데 실리콘 즉, 규소(Si)는 모래의 구성성분으로 손쉽게 구할 수 있는 장점이 있다.

반도체 산업을 기반으로 전 세계 소프트웨어 산업을 호령하는 중심지 ‘실리콘밸리(Silicon Valley)’도 반도체 재료의 ‘실리콘(silicon’과 산타클라라 인근 계속’valley)’에서 만들어 졌다.

실리콘(Si)은 지각을 구성하는 물질의 27% 이상을 차지할 정도로 풍부하며, 수급이 용이하다. 또한 비용이 저렴한 장점을 지녔다.

이러한 실리콘을 1800℃ 이상의 온도로 모래를 가열하여 순수한 실리콘을 얻으며, 이것을 정제하여 반도체에 쓰이는 99.9999999% 의 전자 소자 급 실리콘(EGS / Electronic Grade Silicon) 을 만든다.

* 실리콘 정제방법

SiO2(s) + 2C(s) → Si(l) + 2CO(g)

고온 가열(1800℃ 이상)

웨이퍼를 제조할 때 단결정으로 실리콘을 만드는 것이 중요하다. 

다경정질을 단결정질로 만드는 방법은 다양하게 있는데 대표적인 방법이 CZ(초크랄스키)법 이다. 

실리콘을 녹인 후 표면과 seed가 접촉하여 하여 seed에 실리콘이 붙어 결정이 성장하게 하는 방법이다.

결정이 붙어 성장이 시작할 때 puller(인상기)를 이용하여 조금씩 위로 뽑아내면 균일한 실리콘 기둥을 만들 수 있다. 인상기를 들어올릴 때 적절한 회전속도를 가해야 하기 때문에 상당한 스킬과 노하우가 필요하다.

이러한 방법으로 생성된 실리콘 덩어리를 잉곳(Ingot)이라고 한다.

또 다른 방법으로는 FZ(Float Zone crystal growth)법이 있다. ‘부융대법’이라고도 하며, CZ법에 비해 더 높은 순도로 제조가 가능한 장점이 있다. 반복용융이 가능하여 더 높은 순도의 단결정을 만들 수 있다.

이렇게 만들어진 실리콘 잉곳을 원판으로 만들기 위해서는 절단이 필요하다.

Wafer slicing이라고 하며, 균일하지 않은 잉곳을 얇고 균일하게 만드는 과정이다.

주로 다이아몬드 와이어를 이용하여 절단하며, 잉곳의 지름에 의해 웨이퍼의 크기가 결정된다.

일반적으로, 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치)로 많이 제조된다.

웨이퍼의 두께가 얇을수록 많은 웨이퍼를 만들 수 있어 제조단가를 낮출 수 있다. 그렇게 때문에 웨이퍼 절단 또한 고도의 기술이 필요하다.

절단 직후의 웨이퍼는 표면이 거칠기 때문에 표면 연마가 필요하다. 

Edge Rounding 공정으로 실리콘 원판의 가장자리를 둥글게 만들어주며, Lapping 공정으로 표면의단차를 물리적으로 제거한다. Etching 공정으로 표면에 손상된 부분을 화학적으로 녹여서 제거하며, Polishing 공정으로 원판 표면을 물리적, 화학적으로 평탄하게 만들어 준다.

이러한 공정으로 반도체가 되기 위한 웨이퍼가 준비되었다. 

실리콘 웨이퍼는 그동안 면적을 넓히는 방향으로 발전해 왔다. 면적이 넓을수록 하나의 웨이퍼에서 만들 수 있는 반도체 제품의 수가 늘어나기 때문에 단가절감을 위해서는 중요한 부분이다. 향후 반도체 공정에서 웨이퍼의 발전은 면적을 넓히는 방향으로 발전해 나갈 것이다.

앞으로 얼마나 더 큰 웨이퍼가 탄생할지 기대가 된다.