반도체 제조 공정

1. 반도체 개요

반도체산업은 전자, 통신, 정보사업 부문과 함께 두드러진 발전과 성장을 기록하고 있는
산업으로 정보화 사회 진입과 첨단산업 발전의 핵심요소일 뿐만 아니라 재래산업의 생산성
향상과 고부가가치화를 위한 필수적인 요소부품으로서 그 수요가 급속히 확대, 다양화되고
있다. 반면 막대한 설비투자가 요구되며, 기술자체의 개발에도 많은 연구개발 투자가 소요되
어 매출액 대비 연구개발 투자가 타산업보다 현저히 높은 특징을 가지는데 이것은 반도체
자체가 그 제조과정이 아주 민감한 제품이기 때문이다. 또한 기술혁신의 속도가 빠르며 제
품의 수명 주기가 타 산업에 비해 매우 짧은 특성을 가지고 있다.

반도체는 크게 
1-다이오드, 
2-트랜지스터, 
3-IC(Int egr at ed Circuit : 직접회로)등 

여러 가지가 있는데 전자제품을 만드는 기본 요소가 된다고 해서 보통 반도체 소자라고 부른다. 

다이오드(Diode)는 가장 간단한 반도체 소자로 
1-P - N접합으로 되어있고 교류를 직류로 바꾼다거나 
2-전파에서 소리를 끄집어내는 검파 작용을 한다. 

트랜지스터는
1- P -N- P 또는 N- P - N 식이 있으며 작은 신호를 크게 하는 증폭작용을 한다. 
이러한 개별 소자와는 달리 소자들을 모아 놓은 집적회로는 저장 또는 기억과 연산의 역할을 한다. 트랜지스터나 다이오드를 개별소자라고 부르는 것에 비해 소자들을 모은 반도체를 집적회로라고 한다. 

1-집적회로는 플래너(Planar ) 기술이 개발된 이래 눈부시게 발전하였다. 
플래너 기술이란 웨이퍼라고 하는 평평
한 반도체판 표면에 트랜지스터등의 소자를 새겨 넣는 것을 말한다. 이 집적회로 기술에는
사진기술이 밀접하게 연관되어 있다. 인화지에 해당하는 웨이퍼 위에 필름 역할을 하는 마
스크를 놓고 빛대신 자외선을 쬐어 아주 정밀하고 복잡한 회로를 새겨 넣는 것이다. 이러한
집적회로는 정보의 저장과 연산 등의 역할을 한다.

2. 반도체의 제조

반도체는 최초 웨이퍼 제작에서부터 최종완제품까지 크게 4가지 공정으로 구별할수 있다.

1-즉 Silicon원석에서 웨이퍼를 제작하는 웨이퍼 제조공정, (이 공정은 국내 LG실트론, 포스코휼스등의 업체에서 담당함.)

2- 제조된 웨이퍼를 이용하여 웨이퍼 표면에 집적회로를 형성하는
웨이퍼 가공공정, (이 공정은 현대, 삼성등의 업체가 담당함.) 

3-가공된 웨이퍼로 Chip을 제작
하는 Packag e조립공정 및 Package를 Module에 부착하여 완전한 기능을 하는 제품으로 제
작하는 Module조립공정 (이 2공정은 삼성, Amkor , ChipPAC등의 업체가 담당함.)

(1) 단결정 성장(Crystal Growing)
단결정 성장은 실리콘 웨이퍼 제조를 위한 첫번째 공정입니다. 
고순도의 일정한 모양이없는 폴리 실리콘이 고도로 자동화된 단결정 성장로 속에서 단결정봉으로 변형됩니다. 고진공 상태에서 섭씨 1400도 이상의 고온에 녹은 폴리 실리콘은 정밀하게 조절되는 조건하에서 큰 직경을 가진 단결정봉으로 성장합니다. 이와 같은 성장과정이 끝나면, 단결정봉은 실내온
도로 식혀지고 각각의 단결정봉이 여러 조건에 부합되는지를 평가하게 되고, 단결정봉은 부분별로 가공되어 정확한 직경을 갖게 됩니다.

(2) 절단(Shaping)
절단에서는 실리콘 단결정봉을 웨이퍼, 즉 얇은 슬라이스로 변형시키는 공정입니다. 
단결정조직이 정확하게 정렬되도록 단결정봉을 흑연빔에 놓은 다음 고도의 절삭 기술을 사용하
여 실리콘 단결정봉을 웨이퍼로 바꾸게 됩니다. 절삭작업을 거치는 동안 웨이퍼의 가장자리
부분은 매우 날카롭고 깨지기 쉽게되므로 세척과정을 거친 후 정확한 모양과 치수로 가공해
손상에 영향을 덜 받게 합니다. 그다음, 이 웨이퍼들은 조연마 과정을 거쳐 표면이 평탄하고
두께가 일정하게 되어 표면의 질이 높아집니다.

(3) 경면연마(Polishing)
웨이퍼를 평탄하고 결함이 없도록 만드는 일은 고객에게 대단히 중요합니다. 
이 목적을이루기 위해 경면연마 공정에서 여러 가지 단계를 거치게 됩니다. 뿐만 아니라, 고객의 요구
를 충족시키기 위해 웨이퍼의 특질을 높이는 다른 작업들이 바로 이 부분에서 이루어집니다.
 조연마 과정을 거친 웨이퍼는 식각공정을 거치면서 추가적인 표면 손상을 제거하고, 공
정을 정밀하게 통제하는 완전 자동화된 장비로 가장자리 부분과 표면이 경면연마 됩니다.
그 결과 얻어지는 웨이퍼들은 극도로 평탄하고 결함이 없는 상태입니다.

(4) 세척과 검사 (Cleaning & Inspection)
세척부문에서는 경면연마 과정을 거친 웨이퍼의 표면에 있는 오염물을 제거합니다. 
이 최신의 공정에서 웨이퍼에 있는 미립자 오염물, 금속, 유기 오염물질을 씻어냅니다. 이 공정은
미립자, 금속, 유기물에 대하여 대단히 엄격한 규정을 적용하는 청정실 환경에서 이루어집니
다. 마지막 세척공정을 거친 웨이퍼들은 0.1㎛ 크기의 미립자까지 검출할 수 있는 레이저 검
사 장치로 검사를 받습니다. 그리고, 최종 검사가 끝나는 대로 즉시 출하 포장되어 정해진
시간 안에 고객에게 전해집니다.

2) 웨이퍼 가공공정

반도체 제조 회사라고 하면 일반적으로 웨이퍼 가공부터 시작하는 회사를 일컫는다. 
웨이퍼생산은 전문업체들의 몫이다. 웨이퍼 가공은 웨이퍼 표면에 반도체 소자난 IC를 형성하는
제조공정을 일컫는다.

※ 메모리 Device의 경우 64M, 128M, 256M, 1G로 갈수록 상기 세부공정은 많아지고
(1G가 400step ) 회로선폭이 줄어들어 고 집적도가 요구됨. (1G가 0.18㎛)

가. 산화 (Ox idation ) 공정 : 
고온 (800~1200도) 에서 산소나 수증기를 실리콘 웨이퍼 표면에
뿌려 산화막을 형성시킨다. 산화막은 웨이퍼 위에 그려질 배선끼리 합선되지 않도록 서로를
구분해 준다. 배선간의 간격이 미세하기 띠문에 합선이 될 경우가 많다.

나. 감광액 (Photor esist ) 도포 :
 감광액을 웨이퍼 표면에 고르게 바른다. 그 다음 이를 살짝구워서 얼라이너 (Aligner )라고 불리는 사진 촬영장치로 보낸다. 이때부터 웨이퍼는 사진의 인화지 역할을 한다.

다. 노광 (Ex posure) :
 포토 마스크를 웨이퍼 위에 얹은 다음, 조준을 맞추고 강한 자외선을
통과 시킨다. 자외선 빛은 마스크 위의 회로 패턴을 웨이퍼에 그려준다.

라. 현상 (Dev elopment ) : 
일반 사진 현상과 동일하다. 현상액을 웨이퍼에 뿌리면 웨이퍼는 노광 과정에서 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분으로 구분되는데, 빛을 받은 부분의 현상액은 날아가고 빛을 받지 않은 부분은 그대로 남는다.

마. 식각 (Etchin g ) :
 웨이퍼에 회로 패턴을 만들어 주기 위해 화공약품 (습식) 이나 부식성가스 (건식) 을 이용해 필요 없는 부분을 선택적으로 없앤다. 현상액이 남아있는 부분을 남겨둔채 나머지 부분은 부식시킨다. 식각이 끝나면 감광액도 황산용액으로 제거 한다. 

바. 이온 주입 (Ion Implant ation ) : 
회로까지 연결된 부분에 불순물을 미세한 가스 입자 형태로 뿌려 침투시킨다. 
전기 소자의 특성을 만들어 준다.

사. 화학 기상 증착 (Chemical Vapor Deposition ) : 
가스의 화학반응으로 형성된 입자들을 웨이퍼 표면에 수증기 형태로 쏘아 (증착) 절연막이나 전도성막을 형성시킨다. 일종의 보호막과도 같은 역할을 한다.

아. 금속배선 (Met allization ) : 
웨이퍼 표면에 형성된 각각의 회로를 금, 은, 알루미늄 선으로 연결시키는 공정. 
금속에 전기적 충격을 주면 금속이 물방울처럼 증발하는데 여기에 웨이퍼를 넣어 회로를 연결시킨다.

3) 조립 및 검사

가. 웨이퍼 자동 선별 : 
칩들의 불량 여부를 컴퓨터로 검사하여 불량품을 골라낸다. 
불량제품은 검은 잉크로 동그란 마크를 찍어 분류한다.

나. 웨이퍼 절단 : 
웨이퍼에 그려진 하나하나의 칩들을 떼어내기 위해 웨이퍼를 손톱만한크기로 계속 잘라낸다. 
절단에는 다이아몬드 톱이 사용된다.

다. 칩 접착 : 
낱개로 분리된 칩 가운데 제대로 작동하는 것만을 골라내어 리드 프레임 위에 올려놓는다. 
리드 프레임 (Lead Fr ame) 이란 반도체에서 지네발 처럼 튀어나온 다리 부분인데 반도체가 전자 제품에 연결되는 소켓의 구실을 한다. 불량으로 판정된 제품은 자동으로 제외된다.

라. 금 (金) 선 연결 :
 칩의 외부 연결 단자와 리드 프레임을 가느다란 금선으로 연결해 준다.
 머리카락보다 가는 순금을 사용한다. (동, 알루미늄선도 사용)

마. 성형 (Molding ) : 
외형만들기 작업이다. 이과정을 거쳐 우리가 흔히 볼수 있는 검은색지네발 모양이 된다. 
칩과 연결 금선을 보호해 주기 위해 화학수지로 밀봉해 준다. 플라스틱이나 세라믹 같은 것으로 감싸준다. 그 다음 윗면에 제품명이나 고유 번호 , 제조회사의 마크등을 인쇄한다.

바. 최종 검사 :
 완성된 반도체의 전기적 특성이나 기능등을 컴퓨터로 최종검사한다. 
강제로높은 정전기를 흘린 다음 제품이 제대로 작동하는지, 높거나 낮은 습도에서 , 높은 온도에서잘 견디는지 등을 확인한다. 합격된 제품은 판매한다.

3. 환경오염을 유발시키는 주요공정

반도체 가공 및 조립공정에서 환경오염을 유발하는 주요공정은 T able 1과 같다.

Table 1. 반도체 관련 주요 환경오염 물질

1) Lithogr aphy (감광액1도포, 노출, 현상) :
 이 공정에서는 주로 휘발성유기물질인 감광액인Photoresist를 사용하는데 상당량이 휘발되거나 폐 솔벤트로 배출되고 있다.

2) Et chin g (식각) : 
PFC계열의 가스인 CF4, CHF3를 공정가스로 사용하고 있어 PFC감축

3) Wet Station (세정) : 
불필요한 부분의 제거를 위하여 주로 ACID 및 ALKALI인 HF ,NH4F , H2SO4, HNO3, H2O2등의 Chemical을 사용하고 다량의 초순수 물을 사용함으로써 고농도 폐액 또는 다량의 폐수가 발생

4) Film Deposition (막적층) : 
적층을 형성하기 위하여 SiH4등과 같은 Silane계열의 가스를 사용함으로써 유해가스에 노출이 심한 공정이며 가스세정을 위하여 C2F 6, NF 3등과 같은 PFC계열의 가스를 다량사용하고 있다. 이 공정은 반도체공정중 가장 많은 전기를 소모하는 공정이다.

5) Ion Implantation (이온주입) :
 NH3, PH3, AsH3등과 같은 Hy dride계열의 유해가스를 사용하고 있다. 인체에 노출되면 심각한 유해를 가하기 때문에 소규모 가스처리용 스크러버가 별도로 장비에 부착운영하고 있다.

6) Planarization (평탄화) :
 CMP공정으로 불려지는데 Slurry와 많은 초순수 물을 사용한다.
폐 Slurry는 및 CMP폐수는 별도의 처리공정을 거치거나 회수하여야 하는 기술이 요구된다.

7) Pack age 및1 Module조립공정 : 
이 공정에서는 중금속 도금물질을 사용함으로써 도금폐수가 발생되고 있으며 Soldering 및 표면실장공정에서는 Pb을 함유한 Solder를 사용한다.
또한 조립공정에서는 많은 고상 폐기물이 발생되고 있다.

웨이퍼의 표면에 여러 종류의 막을 형성시킨 뒤, 이미 만든 마스크를 이용해 특정 부분을 선택적으로 깎아 내는 작업을 되풀이함으로써 전자회로를 구성해 나가는 전체 과정을 말한다. 줄여서 FAB이라고 한다.
웨이퍼에 회로 패턴을 형성하기 위해 확산, 감광 증착, 식각, 임플란트, 평탄화 등의 공정이 반복된다.
이런 공정들은 여러 번 반복되는 과정에서 순서가 바뀌기도 하고, 반복하는 횟수도 다르다.

◆ 확산 공정 (Diffusion) 
섭씨 800~1200도 이상의 고온에서 웨이퍼를 가열해 균일한 산화막(SiO2)을 형성한다. 
이때 형성된 산화막은 반도체 내부 소자를 분리하는 역할을 하게 된다.
공정은 챔버(공정이 이루어지는 공간, 진공 상태, 열, 가스 등 공정에 필요한 조건을 갖추고 있다.)라는 공간에서 이루어진다.
세정은 공정 각 단계마다 D.I. 워터(이온이 들어 있지 않은 물이란 뜻으로 불순물을 제거시킨 순수한 물)로 웨이퍼를 씻어내고 건조시킨 뒤 다음 공정으로 넘어간다.

◆ 감광 증착 공정 (Photo Resist)
마스크 위에 그려져 있는 모양을 웨이퍼 위로 옮기는 과정이다. 그 결과, PR이란 물질로 이루어진 패턴이 웨이퍼에 남게된다.
1) 마스크 제작 : 설계된 전자회로를 각 층별로 나누어 유리 마스크에 그린다. 이것으로 웨이퍼의 모양을 만든다.

2) 감광액 도포 (PR : Photo Resist) : 빛에 민감한 감광제 PR을 웨이퍼 표면에 고르게 바른다.
3) 노광 (Exposure) : 마스크를 통하여 빛을 선택적으로 투과시킴으로써 특정 모양의 회로 패턴이 웨이퍼 위에 찍힌다.
4) 현상 (Development) : 웨이퍼 표면에서 빛을 받은 부분의 패턴막을 현상한다. (필름 사진 현상 방법과 같다.)
5) 감광제 제거(PR Strip) : 포토 공정에서 사용한 감광제를 황산이나 유기용제 등을 이용해 제거한다.

◆ 식각 공정 (Etch)
식각에는 건식 또는 습식 식각이 있다.
1) 건식 식각 (Dry-etch): 회로 패턴을 형성하기 위해 가스를 이용해 불필요한 박막을 깎아낸다.
2) 습식 식각 (Wet-etch) : 쌓아 놓은 박막을 화학약품으로 제거한다.

 

◆ 식각 점검 공정 (Inspection)
식각 공정에서 형성된 패턴은 다음 공정으로 넘어가기 전에 현미경으로 정상 여부를 확인한다.
다른 공정에서 생긴 불량은 지우고 다시 하면 되지만 식각에서 생긴 불량은 웨이퍼를 버리게 된다. 색과 모양을 보고 불량을 선별한다.

◆ 증착공정 (CVD)
여러 가스들의 화학반응으로 만든 입자를 증착시켜 웨이퍼 표면에 절연막이나 전도성막을 형성시킨다. 이로써 전기적 특징을 가지게 되고, 전극으로도 사용된다. LP-CVD와 PE-CVD로 두 가지 방식이 있다.
1) PE-CVD (Plasma Enhanced CVD)는 챔버 내에 증착을 돕는 플라즈마를 형성시켜 반응을 원활하게 한 뒤 박막을 형성하는 방법
2) LP-CVD (Low Pressure CVD)는 진공상태에서 증착시켜 박막을 형성하는 방법

◆ 임플란트 공정 (Implant) 
인과 붕소 등의 이온을 주입하면 부도체였던 웨이퍼가 반도체가 된다.
각 공정이 끝나면, 반드시 세정
공정 단계마다 생기는 오염을 제거하기 위해 세정을 하는데 습식 식각은 점차 이 세정 안에 포함돼 이루어진다.
포토 찍고, 에치 하고, 에치 하고, 폴리 올리고, 박막 채워 가면서, 마이크로 단위의 아파트에 전기가 통하는 길이 형성되는 것이다.

◆ 평탄화 공정 (CMP)
웨이퍼 표면에 여러 층의 막을 형성하면서 튀어나오게 된 부분을 제거하는 과정
전기가 통하는 길이 울퉁불퉁하면 잘 통하지 않는다. 고속도로도 평탄해야지 차가 잘 가듯 이것도 마찬가지다.

◆ 금속 배선 공정 (Metal)
웨이퍼 표면에 알루미늄 원자를 부착시켜 회로를 연결한다.

◆ 백랩 공정 (Back-lap) 

웨이퍼 뒷면을 연마하여 웨이퍼 두께를 얇게 만든다.

하나의 반도체 칩이 완성되기까지 각 공정을 300번까지 거치기도 한다.

웨이퍼 가공 이후 최종 IC 칩이 되기까지는 다음과 같다.
1) 웨이퍼 절단(Sawing) - 웨이퍼 상의 수많은 칩들을 분리하기 위해 다이아몬드 톱을 사용하여 웨이퍼를 자르는 공정
2) 금선 연결 (Wire Bonding) - 칩 내부의 외부 연결단자와 리드프레임을 가는 금선으로 연결해 주는 공정
3) 조립 (Packaging) - 각각으로 잘려 리드프레임과 결합된 칩을 완제품으로 조립하는 과정
4) 검사 (Test) - 성형된 칩의 전기적 특성 및 기능을 컴퓨터로 최종 검사하는 공정. 최종 합격된 제품들은 제품명과 회사명을 적은 뒤 입고 검사를 거쳐 최종 소비자에게 판매