반도체는 현대 산업의 핵심 요소입니다. 산업의 쌀이라도 불릴 만큼 AI, TV, 컴퓨터, 스마트폰, 자동차, 가전기기 등 다양한 분야와 기기에 필수 부품입니다. 오늘은 반도체 정의와 종류, 그리고 8대 공정에 대해 간단하게 알아보겠습니다.
반도체란?
반도체는 전기를 부분적으로 보낼 수 있는 물질로, 금속(효율이 높은 전도체)과 절연체 사이의 중간 성질을 가지고 있습니다. 주로 실리콘을 기반으로 만들며, 전기적 특성을 조절하여 전자기기의 스위칭과 신호 증폭 등의 기능을 가능하게 합니다.
반도체 작동 원리
- 도핑 과정: 순수 반도체 물질에 소량의 다른 원소를 화학적으로 첨가하여 전기적 성질을 변화시키는 과정입니다. 이는 반도체 내에서 자유 전자나, 홀(전자가 빠진 빈 자리)의 수를 조절하여 전도성을 조절합니다.
- PN 접합: P형(양전하를 띠는)과 N형(음전하를 띠는) 도핑 물질을 결합하여 만듭니다. 이 기술은 다이오드의 기본이 되고 트랜지스터의 핵심 특성입니다.
반도체 종류
- 실리콘 반도체: 가장 흔하게 사용되며, 가공성이 뛰어나고, 화학적으로 안전하므로 주로 사용됩니다.
- 화합물 반도체: 갈륨비소(GaAs), 인듐 안티모나이드(InSb) 등을 포함하며, 특수한 전자기기나 고주파, 고속 전자 장치에 사용됩니다.
반도체 제조 과정
- 웨이퍼 제조: 순수한 실리콘에서 큰 실리콘 결정을 성장시킨 후, 이를 얇은 웨이퍼로 절단합니다.
- 회로 패턴 형성: 광리소 공정을 통해 웨이퍼 위에 미세한 회로 패턴을 형성합니다.
- 식각 및 증착: 패턴에 따라 필요한 부분에 재료를 증착하고 불필요한 부분을 식각하여 원하는 반도체 소자를 만듭니다.
반도체 8대 공정
반도체 제조 과정에는 수백 번의 절차가 있습니다. 이 과정을 크게 8개로 분류한 것이 바로 우리가 흔히 아는 반도체 8대 공정입니다.
1. 웨이퍼 제조 공정
웨이퍼는 얇은 원판입니다. 피자로 쉽게 예를 들면, 동그란 도우를 만드는 과정입니다. 웨이퍼는 실리콘, 갈륨 아세나아드 등을 성장시켜 만든 기둥(잉곳)을 얇게 썬 원판을 뜻합니다. 대부분 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘이 주원료입니다.
1) 잉곳 만들기
모래에 추출한 실리콘 원료를 뜨거운 열로 용해하여 실리콘 용액을 만들고, 이것을 결정하고 성장시켜 굳힙니다. 이렇게 만들어진 실리콘 기둥을 잉곳이라고 합니다. 공정이 미세해질수록 더욱 순도 높은 잉곳이 필요합니다.
2) 잉곳 절단하기
둥근 팽이 모양의 잉곳을 다이아몬드 톱을 사용하여 균일한 두께로 얇게 절단합니다. 웨이퍼 두께가 얇을수록 제조원가가 낮아지고, 생산 가능한 칩 개수가 증가하므로 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세입니다.
3) 웨이퍼 표면 연마하기
절단된 웨이퍼 표면을 거울처럼 매끄럽게 만드는 과정입니다. 연마액과 연마 장비를 사용하여 표면을 일정하고 매끄럽게 갈아냅니다.
2. 산화 공정
연마된 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태입니다. 그래서 도체와 부도체 성질을 모두 가진 ‘반도체’를 만드는 과정이 필요합니다. 반도체로 만들기 위해 웨이퍼 위에 여러 가지 물질을 형성시킨 후 회로 모양으로 깎고, 다시 물질을 입히고 깎아내는 과정이 반복됩니다.
반도체를 만드는 가장 기초적인 단계가 바로 산화 공정입니다. 산화 공정을 거쳐야 웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막을 형성할 수 있습니다. 산화막이 회로와 회로사이 전류가 누전되는 것을 차단해주며, 이온 주입 공정에서 확산 방지막 역할을 하며, 그리고 식각 공정에서 식각이 잘못되는 것을 막아줍니다.
산화 공정 방법에는 열을 통한 열산화, 플라즈마 보강 화학적 기상 증착, 정기 화학적 양극 처리 등 여러 가지 종류가 있습니다. 가장 일반적인 방법은 열산화 방법입니다.
열산화 방법은 산화 반응에 사용되는 기체에 따라 건식, 습식으로 나뉩니다. 건식은 순수한 산소만 이용하며, 산화막 성장 속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 상용합니다. 건식 산화는 전기적 특성이 뛰어난 것이 특징입니다.
반면, 습삭 산화는 산소와 수증기를 함께 사용하며, 산화막 성장 속도가 빠르고 두꺼운 막을 형성할 수 있습니다. 하지만 건식 산화보다 산화층 밀도가 낮은 것이 특징입니다.
3. 포토 공정
포토 공정은 필름카메라로 사진을 찍는 원리와 비슷합니다. 웨이퍼 위에 회로 패턴이 담긴 마스크 상 빛을 비추어 회로를 그리는 공정입니다.. 반도체는 집적도가 증가할수록 칩을 구성하는 소자 역시 작게 만들어야 합니다. 회로가 미세해질수록 포토 공정의 난이도가 어려워집니다.
포토 공정은 먼저 CAD를 이용하여 회로를 설계합니다. 설계된 회로 패턴을 기반으로 석영으로 만든 기판에 크롬으로 미세 회로를 형상화하여 포토마스크를 만듭니다.
그 다음 웨이퍼에 회로를 그리기 위해 빛에 민감한 물질인 감광액을 골고루 바릅니다. 회로 패턴이 새겨진 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 비춥니다.
포토 공정의 마지막 과정인 현상 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌리며 빛이 비치는 영역과 아닌 영역을 구분하여 선택적으로 제거하여 회로 패턴을 형성합니다.
4. 식각 공정
포토 공정으로 웨이퍼에 회로를 새겼습니다. 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 부분이 바로 식각 공정입니다. 식각 공정은 판화 기법 중 에칭과 비슷한 원리를 가지고 있습니다.
식각 공정은 액체나 기체 부식액을 이용하여 불필요한 부분을 선택적으로 제거합니다. 식각 반응을 일으키는 물질에 따라 습식 식각과 건식 식각으로 나뉩니다. 건식은 비용이 비싸고 공정 난이도가 어려우나 수율이 높은 것이 특징입니다.
5. 증착 및 이온 주입 공정
사람 손톱보다 작고 종이 만큼 얇은 칩에는 미세한 수많은 층이 존재합니다. 이러한 구조를 형성하기 위해서는 웨이퍼 위에 단계적으로 박막을 입히고 회로를 그려 넣고 불피요한 부분을 선택적으로 제거하고 세정하는 과정을 여러 번 반복합니다.
이때 회로 간의 구분과 연결, 보호 역할을 하는 얇은 막을 박막이라고 합니다. 사전적 의미로 박막이란 단순 기계 가공으로는 만들 수 없는 1마이크로미터(100만 분의 1) 이하의 얇은 막을 의미합니다. 웨이퍼 위에 원하는 분자나 원자 단위 박막을 입히는 과정을 증착이라고 표현합니다.
증착은 크게 물리적 기상증착방법과 화학적 기상증착방법으로 나뉩니다. 물리적 방법은 금속 박막 증착에 주로 사용되며 화학적 반응이 수반되지 않는 것이 특징입니다.
반면, 화학적 방법은 화학 반응을 이용하여 형성된 입자를 수증기 형태로 쏘아 증착시키는 방법입니다. 도체, 부도체, 반도체 박막증착에 모두 사용 가능한 기술입니다. 따라서 반도체 공정은 화학적 기상증착방법을 주로 사용합니다.
이 과정에서 반도체가 전기적 특성을 띄게 하는 공정인 이온주입공정이 수반됩니다. 이온주입공정에서는 실리콘 웨이퍼에 불순물인 이온을 넣어 전류를 흐르게 하는 전도성을 띄게 합니다.. 필요에 따라 전기가 흐르게, 또는 흐르지 않게 조절할 수 있습니다.
6. 금속배선 공정
포토, 식각, 이온주입, 증착 공정을 반복하여 웨이퍼 위에는 수많은 회로가 생성됩니다. 이 회로가 기능하려면 금속 배선을 연결하는 공정이 필요합니다. 신호가 잘 전달될 수 있게, 회포 패턴에 따라 전기길(금속선)을 연결하는 작업이 금속배선 공정입니다.
금속 배선에 주로 사용되는 금속은 알루미늄, 티타늄, 텅스텐 등이 있습니다. 금속 배선은 증착 과정을 통해 형성합니다.
7. EDS(Electrical Die Sorting) 공정
수많은 공정을 거친 칩은 마지막 테스트 과정을 거쳐, 양품, 불량품으로 선별됩니다. 웨이퍼 완성 단계에서 이루어지는 테스트가 EDS 공정입니다.
EDS 공정은 웨이퍼 상태의 불량품을 선별하고, 불량품 중 수선 가능한 칩을 분류하고, 공정과 설계에서 발견된 문제점을 수정하며, 불량품을 미리 선별해 패키지 공정 및 테스트 작업의 효율을 높이는 것을 목적으로 합니다.
8. 패키징(Packaging) 공정
최종 제품으로 만드는 과정을 패키징 공정이라고 합니다. 외부 충격에 취약한 완성된 웨이퍼의 칩을 낱개로 하나씩 잘라 포장하는 과정입니다.
1. 웨이퍼 절단
웨이퍼를 절단하여 낱개의 칩으로 분리합니다. 이 절단 작업은 전문 용어로 웨이퍼 소잉(Wafer Sawing)이나 다이싱(Dicing)이라고 부릅니다.
2. 칩 접착
절단한 칩을 리드프레임이나 PCB 위로 옮깁니다. 리드프레임은 칩과 외부 회로 간 전기신호를 전달하고, 칩을 보호 및 지지하는 골격 역할을 합니다.
3. 금선 연결
전기적 특성을 위해 기판 위에 올려진 칩의 접점과 기판의 접점을 가는 금선을 사용하여 연결합니다. 이 공정을 와이어본딩이라고 부릅니다.
4. 성형
금속 연결 공정 후, 외부 환경으로 보호하기 위해 원하는 형태의 패키지로 만들기 위한 성형 공정을 거칩니다. 이 공정을 거치면 우리가 흔히 아는 반도체가 됩니다.
5. 패키지테스트
완제품 형태에서 하는 검사이며 파이널 테스트라고도 부릅니다.
사용 분야
- 컴퓨터와 스마트폰: CPU, GPU, 메모리 칩 등의 핵심 요소입니다.
- 통신 장비: 네트워크 부품, 변환기, 광학 장비 등 다양한 통신 기술에 필수 부품입니다.
- 자동차: 최신 자동차에는 수백 개의 반도체가 사용되며, 엔진 제어, 안전 시스템, 인포테인먼트 시스템 등에 활용됩니다.
- 가전 제품: TV, 냉장고, 에어컨 등 다양한 가전제품에 사용됩니다.