반도체 없이 우리의 삶은 하루라도 버틸 수 있을까? 스마트폰, 노트북, 자동차, TV, 신용카드 등 우리 일상생활의 많은 부분은 반도체와 떼려야 뗄 수 없는 관계입니다. 이러한 반도체는 우리 생활에 큰 영향을 미칩니다. 그렇다면 어떻게 만들어지나요?

반도체에 대한 기본 지식이 있다면 8가지 기본 반도체 공정에 대해 들어보셨을 것입니다. 반도체 제조에 필요한 수많은 작업은 기사 첫 번째 이미지의 제목인 "8가지 기본 반도체 프로세스"에서 알 수 있듯이 8가지 기본 프로세스로 구분됩니다.

오늘은 그 첫 단계인 '웨이퍼 제조'에 대해 살펴보겠습니다. 집적회로의 핵심 소재인 웨이퍼는 어떤 재료로 만들어지고, 어떻게 제조되는지 알아보겠습니다.

웨이퍼 제조에 필요한 재료

시작하기 전에 간단한 질문 하나 드리겠습니다! 반도체 집적회로와 웨이퍼는 어떤 관계가 있나요? 집적회로는 다양한 기능을 위한 수많은 전기 부품을 포함하는 일종의 반도체 칩입니다. 집적회로는 웨이퍼라고 불리는 기판 위에 동일한 회로를 여러 개 만들어 제조됩니다. 그러므로 웨이퍼는 반도체의 기초이다. 이는 피자를 만드는 것과 유사합니다. 나중에 토핑을 추가할 수 있도록 반죽을 먼저 준비합니다.

웨이퍼는 실리콘 웨이퍼 또는 갈륨 비소와 같은 기타 요소로 절단된 원형 디스크입니다. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 실리콘으로 만들어집니다.

미국 실리콘밸리는 반도체 산업으로 시작해 결국 글로벌 소프트웨어 산업의 중심지가 됐다. 반도체 원료인 '실리콘'과 산타클라라의 '계곡'을 합쳐 이름을 지은 것으로 전해졌다. '실리콘밸리'라는 이름을 들으면 실리콘이 반도체 웨이퍼의 필수 원자재라는 사실을 기억하는 데 도움이 될 것입니다. 실리콘은 공급량이 풍부하고 자연에서 가장 풍부한 원소이며 무독성이며 환경 친화적인 특성을 가지고 있습니다. 웨이퍼 제조 과정을 함께 살펴보시죠!

1단계: 실리콘 잉곳 제조

모래에서 추출한 실리콘은 반도체 제조에 사용되기 전에 정제 과정을 거쳐야 합니다. 고순도 액체로 녹을 때까지 가열한 후 결정화를 통해 고체화시킵니다. 생성된 실리콘 막대를 실리콘 잉곳이라고 합니다. 수 나노미터까지 극도로 높은 정밀도가 요구되는 반도체 공정에서는 초고순도 잉곳만이 사용될 수 있습니다.

2단계: 잉곳을 절단하여 얇은 웨이퍼 생산

실리콘 잉곳의 모양은 팽이와 비슷하며 날카로운 다이아몬드 톱날을 사용하여 웨이퍼라고 알려진 균일한 두께의 원형 디스크로 절단됩니다. 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치) 웨이퍼 등 웨이퍼의 크기는 잉곳의 직경에 따라 결정됩니다. 웨이퍼가 얇을수록 제조 비용이 낮아지고, 직경이 클수록 웨이퍼당 더 많은 수의 반도체 칩을 생산할 수 있습니다. 따라서 웨이퍼는 점점 더 얇아지고 커지는 추세입니다.

3단계: 웨이퍼 표면 연삭 및 연마

새로 절단된 웨이퍼는 매끄럽고 거울 같은 마무리를 얻기 위해 가공을 거쳐야 합니다. 새로 절단된 웨이퍼의 표면은 거칠고 결함이 있어 회로 정확도에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 연마액과 연마기는 웨이퍼 표면을 연마하는 데 사용됩니다.

추가 처리 전에 연마된 웨이퍼는 베어 웨이퍼(Bare Wafer)라고 하며, 이는 아직 칩이 제조되지 않았음을 나타냅니다. 다양한 물리적, 화학적 공정을 거쳐 베어 웨이퍼 위에 집적회로를 제작한 후 웨이퍼는 결국 아래 이미지와 같이 보입니다. 웨이퍼의 각 부분의 이름을 함께 살펴봅시다!

1. 웨이퍼: 반도체 IC의 핵심 소재 역할을 하는 원판(디스크)입니다.

2. : 웨이퍼에는 작은 정사각형이 많이 있는데, 각각의 작은 정사각형을 다이(Die)라고 하는데, 이는 집적전자회로의 IC 칩이다.

3. 스크라이브 라인: 다이가 서로 붙어있는 것처럼 보이지만 실제로는 사이에 틈이 있습니다. 이러한 간격을 스크라이브 라인이라고 합니다. 스크라이브 라인의 목적은 가공 후 웨이퍼에서 각 칩을 잘라내어 칩으로 조립하는 것입니다. 스크라이브 라인의 간격을 통해 다이아몬드 톱이 웨이퍼를 안전하게 절단할 수 있습니다.

4. 플랫존: 웨이퍼의 구조를 파악하는데 도움을 주기 위해 도입된 영역으로, 웨이퍼 가공 시 기준선 역할을 합니다. 웨이퍼의 결정구조는 매우 미세하여 육안으로 판단할 수 없기 때문에 이 평탄한 영역은 웨이퍼의 수직, 수평 방향을 결정하는 기준으로 사용됩니다.

5. 노치: 최근에는 기존의 플랫존을 대체하는 노치형 웨이퍼가 등장하고 있습니다. 노치가 있는 웨이퍼는 더 많은 칩을 생산할 수 있기 때문에 플랫 존이 있는 웨이퍼보다 더 효율적입니다.

반도체 산업은 크게 웨이퍼를 제조하는 웨이퍼 제조산업과 웨이퍼 위에 회로를 설계하고 제작하는 제조(FAB) 산업으로 구분된다. 가공된 웨이퍼를 칩으로 잘라 포장하여 습기와 물리적인 손상을 방지하는 패키징 산업도 있습니다.

오늘은 웨이퍼(Wafer)가 무엇인지, 웨이퍼의 각 부분의 명칭, 웨이퍼가 어떻게 제조되는지에 대해 소개했습니다. 8가지 기본 반도체 공정 시리즈가 흥미롭고 도움이 되기를 바랍니다.