[반도체공학]웨이퍼 제조공정 - 흐름 1부

Wafer Preparation

반도체 제조공정은 크게 재료산업과 소자산업으로 나눌 수 있다. 재료산업은 웨이퍼를 만드는 것이고 소자산업은 웨이퍼를 가공하여 표면위에 집적회로를 만들어내는 과정을 의미한다. 이번에 다룰 내용은 웨이퍼를 만들어 내는 과정인 재료산업을 주로 다루고자 한다. 현재 SK실트론이나 SK 하이닉스 반도체등의 회사가 자체적으로 웨이퍼를 제작하고 있는데, 현재 수율과 생산성 향상면에서 웨이퍼의 기술개발이 반도체 제조에 없어서는 안될 연구과제로 떠오르고 있다. 그러므로 웨이퍼 제조공정을 정확히 이해하고, 개념을 숙지하며 현재의 기술력이나 앞으로의 발전 가능성등에 대해 알아보는 것은 중요한 의미를 지닐 것이다.

Sand
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Arc furnace	→	모래(SiO2)와 활성탄을 furnace에서 용해시켜 반응 유도함 SiC + SiO2 → Si + CO↑ + SiO↑
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Metallurgical Silicon	→	이렇게 해서 만들어진 규소의 순도는 98%임 (이 규소를 금속등급 규소, Metallugical grade Silicon(MGS)라 함.) 응용 : 합금도금에 이용함.
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Fluidized bed	→	이 규소를 다시 파쇄한 뒤 HCl을 주입하여 반응시킨다. Si + HCl →SiHCl3 + H2↑
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CVD (Chemical vapor deposition)	→	CVD 공정을 이용해, 기상과 기상을 반응시켜 고상의 Si를 얻음. SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl↑ (SiHCl3를 H2와 함께 증류시키면, 나가면서 반응하여 고상상태의 Si만 남는다.)
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Electronic grade Silicon	→	이렇게 해서 100% 순도의 다결정 EGS가 만들어진다. 응용분야 : 전자소자로 응용됨. 순도는 유지하면서 단결정으로 만들어 주기위해 단결정 성장을 함.
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Czochralski growth	→	단결정 성장방법에는 보통 2가지 있음.→ Czochralski, Floating Zone growth. 분리계수(k)와 인장속도 (v)의 개념이해가 요구됨
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Single crystal Si Ingot(boule)	잉곳 →	단결정 실리콘 잉곳, 규소봉 생성됨
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Grind Ingot Slice	→	만들어진 잉곳을 연마하여 자른다
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Single Crystal Wafer	→	Lap, etching, Polishing	→	Wafer

웨이퍼 제조공정 요약

위 그림에 웨이퍼가 만들어 지는 과정을 간단히 도식화 하여 나타내었다. 모래에서부터 하나의 웨이퍼가 만들어 지기까지의 단계를 중요한 내용만 간략히 정리하여 보여주고 있는데, 웨이퍼 제조공정의 전체 흐름을 이해시키고자 그려보았다. 뒤에 자세히 설명을 하겠지만 전체적인 의미를 알아두고자 내용을 정리해보면, 먼저 모래인 SiO2를 활성탄(SIC)과 Furnace에서 용융시켜 반응을 유도하면 순도98%의 금속등급 규소(Mgs)를 얻을 수 있다. 

하지만 이는 합금도금용으로 쓰이는 것으로 전자소자로의 응용을 위한 규소를 얻기 위해 다시 파쇄하여 HCl을 주입하여 반응시킨다. 그럼 규소염물이 생성되는데 이를 CVD공법을 이용하여 수소와 반응시켜, 즉 기상과 기상을 반응시켜 고상상태의 Si를 얻을 수 있다. 이는 순도 100%의 규소, 즉 EGS로 전자소자로의 응용이 가능하다. 하지만 다결정(poly)이기 때문에 단결정으로 만들어 주기위해 결정성장과정을 거친다. 결정성장법에는 CZ Growth나 Floating Zone Growth등이 있는데 주로 CZ Growth가 사용되고, 자세한 내용은 뒤에 다루도록 하겠다. 결정성장을 마치면 단결정 규소봉을 얻을 수가 있고, 이를 연마 하여 자른후 Lap, etching, Polishing 등의 공정을 마치면 하나의 웨이퍼를 얻을수가 있다.

모래에서부터 하나의 웨이퍼가 만들어 지기까지의 공정을 이렇게 그림과 함께 간략히 설명을 하였지만 실제로는 공정과정에 다양하고 복잡한 기술적 이론이 필요하고, 또한 높은 기술력도 요구된다. 보통 모래에서 EGS까지의 공정은 크게 어렵지 않지만 EGS를 가지고 단결정 성장시키는 것은 높은 기술력이 필요한 것으로 알려져 있다. 그래서 뒤에서 결정 성장 및 종류등에 대해 자세히 다루고 지금은 웨이퍼 제조까지의 단계를 다시한번 자세히 집고 넘어가도록 하겠다.

1. Raw material - Arc furnace - (Metallurgical Silicon) - Fluidized bed - CVD(Chemical vapor deposition) - (Electronic grade Silicon)

2. 단결정성장(Crystal Growth)

단결정 성장은 실리콘 웨이퍼 제조를 위한 첫번째 공정이다. 고순도의 일정한 모양이 없는 폴리 실리콘이 고도로 자동화된 단결정 성장로 속에서 단결정봉으로 변형된다. 고진공 상태에서 섭씨 1400도 이상의 고온에 녹은 폴리 실리콘은 정밀하게 조절되는 조건하에서 큰 직경을 가진 단결정봉으로 성장한다. 이와 같은 성장과정이 끝나면, 단결정봉은 실내온도로 식혀지고 각각의 단결정봉이 여러 조건에 부합되는지를 평가하게 되고, 단결정봉은 부분별로 가공되어 정확한 직경을 갖게 된다.

 

3. 절단(Shaping)

절단에서는 실리콘 단결정봉을 웨이퍼, 즉 얇은 슬라이스로 변형시키는 공정이다. 단결정조직이 정확하게 정렬되도록 단결정봉을 흑연빔에 놓은 다음 고도의 절삭 기술을 사용하여 실리콘 단결정봉을 웨이퍼로 바꾸게 된다. 절삭작업을 거치는 동안 웨이퍼의 가장자리 부분은 매우 날카롭고 깨지기 쉽게되므로 세척과정을 거친 후 정확한 모양과 치수로 가공해 손상에 영향을 덜 받게 한다. 그 다음, 이 웨이퍼들은 조연마 과정을 거쳐 표면이 평탄하고 두께가 일정하게 되어 표면의 질이 높아지게 된다.

 

4. 경면연마(Polishing)

웨이퍼를 평탄하고 결함이 없도록 만드는 일은 고객에게 대단히 중요하다. 이 목적을 이루기 위해 경면연마 공정에서 여러 가지 단계를 거치게 된다. 뿐만 아니라, 고객의 요구를 충족시키기 위해 웨이퍼의 특질을 높이는 다른 작업들이 바로 이 부분에서 이루어진다. 조연마 과정을 거친 웨이퍼는 식각공정을 거치면서 추가적인 표면 손상을 제거하고, 공정을 정밀하게 통제하는 완전 자동화된 장비로 가장자리 부분과 표면이 경면연마 된다. 그 결과 얻어지는 웨이퍼들은 극도로 평탄하고 결함이 없는 상태이다.

 

5. 세척과 검사 (Cleaning & Inspection)

세척부문에서는 경면연마 과정을 거친 웨이퍼의 표면에 있는 오염물을 제거한다. 이 최신의 공정에서 웨이퍼에 있는 미립자 오염물, 금속, 유기 오염물질을 씻어낸다. 이 공정은 미립자, 금속, 유기물에 대하여 대단히 엄격한 규정을 적용하는 청정실 환경에서 이루어지는데, 마지막 세척공정을 거친 웨이퍼들은 0.1㎛ 크기의 미립자까지 검출할 수 있는 레이저 검사 장치로 검사를 받게된다. 그리고, 최종 검사가 끝나는 대로 즉시 출하 포장되어 정해진 시간 안에 고객에게 전해지게 된다.

 

 

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