반도체 공학 - 8대 공정

반도체는 우리의 현대 사회 그리고 미래에서 없어서는 안되는 부분이며, 산업의 쌀이라는 표현을 쓰기도 합니다.

이러한 최첨단의 반도체가 만들어지기에는 8대 공정이 필요합니다. 이번 포스팅에서를 반도체 주요 8대 공정에 대해서 알아 보겠습니다.

반도체는 현대 기술의 핵심 요소로, 스마트폰, 컴퓨터, 자동차, IoT 기기 등 거의 모든 전자제품에 사용됩니다. 반도체 제조 과정은 매우 정밀하고 복잡하며, 총 8단계의 주요 공정을 거칩니다. 각 단계는 원자 단위의 수준에서 이루어지며, 반도체의 성능과 신뢰성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 이번 글에서는 반도체 8대 공정을 이해하기 쉽게 설명하겠습니다.

 

1. 웨이퍼 제조 (Wafer Preparation)

웨이퍼란?

웨이퍼는 반도체를 제작하기 위한 얇은 원형의 판입니다. 웨이퍼는 주로 고순도의 **실리콘(Si)**을 원료로 만들어지며, 전자제품의 핵심적인 회로를 형성하는 기반이 됩니다.

웨이퍼 제작 과정:

1. 실리콘 정제: 순도 99.9999999%(9N)의 실리콘을 얻기 위해 정제 과정을 거칩니다.
2. 잉곳(Ingot) 성장: 실리콘 원료를 녹인 뒤 단결정 형태로 성장시켜 기둥 모양의 실리콘 잉곳을 만듭니다.
3. 웨이퍼 절단: 잉곳을 매우 얇게 잘라 웨이퍼를 만듭니다.
4. 표면 연마: 웨이퍼 표면을 평탄화하여 결함이 없는 매끄러운 표면을 만듭니다.

2. 산화 공정 (Oxidation)

산화 공정은 웨이퍼 표면에 얇은 **산화막(Silicon Oxide, SiO₂)**을 형성하는 단계입니다. 이 산화막은 반도체 회로에서 절연층 또는 보호막 역할을 합니다.

공정 방법:

• 웨이퍼를 고온(900~1200°C)에서 산소(O₂) 또는 수증기(H₂O) 분위기에 노출시켜 산화막을 형성합니다.

역할:

• 절연층: 전류가 불필요하게 흐르는 것을 방지합니다.
• 보호층: 이물질로부터 웨이퍼를 보호합니다.

3. 포토 리소그래피 (Photolithography)

포토 리소그래피는 반도체 제조에서 가장 중요한 과정 중 하나로, 웨이퍼에 미세한 회로 패턴을 새기는 공정입니다.

과정:

1. 감광액 도포: 웨이퍼 표면에 감광액(Photoresist)을 균일하게 도포합니다.
2. 노광(Exposure): 감광액 위에 마스크(회로 패턴이 새겨진 판)를 얹고, 자외선(UV)을 쏘아 패턴을 웨이퍼에 투영합니다.
3. 현상(Developing): 노출된 부분의 감광액을 제거하여 패턴을 드러냅니다.

역할:

포토 리소그래피를 통해 나노미터(10억분의 1미터) 단위의 정밀한 회로 패턴을 구현할 수 있습니다.

 

4. 식각 공정 (Etching)

식각은 포토 리소그래피에서 형성된 패턴에 따라 웨이퍼 표면을 깎아내는 과정입니다. 필요 없는 부분을 제거하여 원하는 회로를 형성합니다.

식각 방식:

1. 건식 식각(Dry Etching): 플라즈마를 사용하여 웨이퍼 표면을 화학적으로 또는 물리적으로 제거합니다. 정밀도가 높아 주로 사용됩니다.
2. 습식 식각(Wet Etching): 화학 용액을 이용하여 표면을 부식시키는 방식으로, 대량 생산에 적합합니다.

5. 이온 주입 (Ion Implantation)

이온 주입은 웨이퍼에 특정 원소를 주입해 전기적 특성을 부여하는 단계입니다. 이 과정에서 도핑(Doping)을 통해 반도체의 P형과 N형 영역을 형성합니다.

과정:

• 웨이퍼에 고에너지 이온 빔을 쏘아 실리콘 기판에 원소(주로 붕소, 인, 비소 등)를 삽입합니다.

역할:

• P형 반도체: 전자가 부족한 특성(양공, Hole)을 만듭니다.
• N형 반도체: 전자가 풍부한 특성을 만듭니다.

6. 증착 공정 (Deposition)

증착 공정은 웨이퍼 표면에 얇은 층의 물질을 증착하여 회로를 형성하거나 보호층을 만드는 단계입니다.

방식:

1. 물리적 증착(PVD): 금속 증발, 스퍼터링 등을 통해 물리적인 방법으로 층을 형성합니다.
2. 화학적 증착(CVD): 화학 반응을 통해 웨이퍼 표면에 얇은 막을 형성합니다.

역할:

• 절연층, 도전층, 보호막 등을 형성하여 반도체 회로의 기능을 구현합니다.

7. 금속 배선 (Metalization)

금속 배선은 반도체의 각 소자(트랜지스터, 다이오드 등)를 연결하여 전류가 흐를 수 있도록 하는 공정입니다.

과정:

1. 금속(주로 알루미늄 또는 구리)을 웨이퍼 표면에 증착합니다.
2. 포토 리소그래피 및 식각 과정을 통해 배선 패턴을 형성합니다.

역할:

금속 배선은 전자 신호를 전달하는 통로 역할을 하며, 반도체의 성능과 전력 효율에 중요한 영향을 미칩니다.

 

8. 패키징 (Packaging)

패키징은 완성된 반도체 칩을 보호하고, 외부 장치와 연결할 수 있도록 물리적으로 포장하는 과정입니다.

과정:

1. 다이싱(Dicing): 웨이퍼를 잘라 개별 칩으로 분리합니다.
2. 본딩(Bonding): 칩을 기판(Substrate)이나 리드프레임에 연결합니다.
3. 몰딩(Molding): 칩을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 플라스틱 또는 세라믹으로 덮습니다.

역할:

패키징은 반도체 칩의 내구성을 높이고, 열 관리 및 전기적 연결성을 제공합니다.

 

반도체 8대 공정은 복잡하고 정밀한 작업의 연속으로 이루어져 있습니다. 웨이퍼 제조에서 시작해 패키징에 이르기까지 각 단계는 반도체의 품질과 성능에 직접적으로 영향을 미칩니다. 이 공정들은 수십 나노미터 단위의 정밀도를 요구하며, 기술 발전과 함께 더욱 복잡해지고 효율적인 방향으로 나아가고 있습니다. 오늘날 반도체 산업은 이러한 공정을 기반으로 발전하며, 현대 사회의 기술 혁신을 이끄는 핵심 동력으로 자리 잡고 있습니다.

 

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.