반도체 제조공정 총정리 쉽게 보기

반도체를 만들려면 어디서부터 어떻게 시작해야 할까요? 요리를 만들듯이 반도체를 어떻게 쓰이고 어떻게 만드는지 알면 반도체에 대해서 더 많이 이해할 수 있습니다. 반도체란 무엇인지 살펴보고 반도체 칩의 공정에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.

 

반도체란?

 

도체란 전기가 통하는 물체를 도체라고 합니다. 대표적으로는 금이나 철같은 금속이죠. 반도체란 선택적으로 전기가 통하기도 하고, 통하지 않기도 한 물체를 반도체라고 합니다. 전자기기에 들어가는 반도체는 이런 성질들을 이용하여 트랜지스터, 다이오드, 콘덴서 같은걸 만들죠

 

• 다이오드 : 전류흐름에 대한 밸브 역할
• 트랜지스터 : 전기신호를 증폭시키는 스위치 역할
• 콘덴서 : 전기를 저장하거나 흘려주는 임시창고 

 

이 반도체 소자들을 회로로 다양하게 연결하여 전기신호를 증폭시키고, 신호를 빛이나 소리, 디지털 데이터로 전환시키면서 인류는 수많은 IT제품들을 만들어 냈습니다. 또한 데이터들을 저장하고 기억하며 알고리즘을 만들어 연산과 제어까지 하게 만들면서 전기신호의 통제기능을 담당하는 AI까지 만들어내고 있습니다.

 

반도체 칩이란?

 

 

다양하고 복잡한 기능을 하는 제품일수록 다양한 논리와 연산 제어 기능이 필요하기에 엄청나게 많은 반도체 소자들이 필요합니다. 수백만~ 수십억 개의 트랜지스터가 필요하기 때문에 과거에 슈퍼컴퓨터는 건물만큼 컸습니다.

 

하지만 이 반도체 소자를 아주 작게만들어서 층층이 쌓아 올릴 수 있게 만들게 되었으며 이것을 IC(Integrated Circuit) 집적회로라고 부릅니다. 소위 우리가 생각하는 반도체 칩은 대부분 손톱보다 작은 칩을 이야기합니다.

 

얼마나 이것을 작게 만드느냐에 따라서 기술력이 달려 있습니다. 나노공정이 발달할수록 더 작고 가벼우며, 더 집적도가 높아져서 연산처리 기능이 빠른 반도체 칩이 만들어지는 것입니다. 컴퓨터나 스마트폰이 작아질 수 있는 게 다 이 반도체 칩이 작아졌기 때문입니다.

 

반도체 칩의 제조공정 

 

반도체 칩의 제조공정은 크게 5단계로 이루어져 있습니다. 웨이퍼제조 > 회로설계 > 웨이퍼 가공 > 검사 > 패키징 이렇게 이루어져 있는데 하나씩 살펴보도록 하겠습니다.

 

1. 웨이퍼 제조

웨이퍼는 반도체 칩을 만들기 위한 기본 도화지입니다. 동그란 얇은판으로 되어있으며 웨이퍼 표면위에 전극을 입히고 트랜지스터나 다이오드 같은 소자를 만들면 반도체 칩이 됩니다. 웨이퍼가 커질수록 한번에 반도체칩을 대량 생산할 수 있습니다. 

 

웨이퍼는 모래에서 추출한 실리콘으로 만들어지며 고온과 습도에 강하며 가격은 저렴한 편입니다. 실리콘 원석을 높은 온도로 가열하고 덩어리로 만들면 이것을 "실리콘 잉곳"이라고 부릅니다. 

 

둥근기둥모양을 갈아서 둥근 원통으로 가공하며 이것을 얇게 잘라내는 슬라이싱을 하면 원판 실리콘이 여러 장 나오게 됩니다. 이 위에 미세한 공정으로 연마와 세정을 거쳐서 매끄럽고 깨끗한 상태로 만들면 이것이 웨이퍼입니다.

 

2. 회로설계

웨이퍼라는 도화지 위에 회로라는 그림을 그리는 것이 회로설계 단계입니다. 반도체 칩은 여러 칩이 층층이 쌓인 모습입니다. 햄버거가 어떤 재료를 어떻게 쌓아 올리느냐에 따라서 치즈버거가 되고 치킨버거가 되는 것처럼 반도체도 어떻게 쌓느냐에 따라서 CPU가 되기도 하고 메모리가 되기도하고 카메라모듈 센서가 되기도 합니다.

 

이걸 설계만 해주는 곳이 바로 팹리스 업체들입니다. 실제로 공정이 가능하게 설계가 되도록 하면서도 효율적이고 성능 좋은 반도체 칩이 나와야 합니다. 반도체 칩은 한층 한층 쌓기 때문에 각층에 따라 각각의 설계 도면이 필요합니다. 실제로 집적회로를 다 펼치면 50~100m 이상이 되기도 한다고 합니다. 

 

반도체 회사는 층층의 도면을 유리에 마스크를 만들고 빛으로 그림을 그립니다. 웨이퍼 위에 그려질 밑그림까지 그리고 나면 이제 이걸 다음 과정에서 층층이 쌓으며 실제 그림을 빛으로 그려줘야 합니다. 

 

3. 웨이퍼 가공

이제 삼성전자나 TSMC가 가장 잘하는 웨이퍼 가공입니다. 웨이퍼 위에 이 회로들을 한 장 한 장 쌓아 올리는 작업입니다. 고도의 기술력과 초고가의 장비가 필요합니다. 반도체 산업에서 수많은 기업들이 연관되어 있고 상당히 복잡한 과정입니다.

 

①산화 단계

웨이퍼 위에 그려지는 배선들이 합선되지 않도록 보호막을 만듭니다. 웨이퍼에 높은 온도의 공기를 노출시켜 산화시킨 뒤에 산화막을 만듭니다.

 

②감광액 도포

회로를 그리기 위해 감광액을 도포합니다. 빛에 반응하는 민감한 액체로서 회로를 그릴 때, 빛을 이용하기에 감광액을 도포해야 합니다. 감광액의 종류에 따라서 빛이 닿은 영역이 제거되거나 남게 만들 수 있습니다.

 

③포토공정

실제 그림을 그리는 작업이며 사진을 현상하는 작업과 비슷합니다. 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 쏘는 노광장비를 이용하여 빛을 통과시키고 반복적인 축소 촬영을 진행합니다. 현상액을 뿌려가며 빛에 노출된 곳을 선택적으로 제거해 웨이퍼에 회로를 그립니다. 얇은 층은 층층이 쌓는 만큼 미세 패턴을 제대로 그려야 하기에 상당히 정밀하고 높은 기술 수준을 요구합니다. 패턴이 형성되면 측정장비로 패턴이 잘 그려졌는지를 살펴봅니다.

 

④식각

산화 단계에서 만든 산화막을 없애줘야 합니다. 감광액은 산화막을 보호해주기에, 포토공정에서 없어진 부분만 식각 과정에서 사라집니다. 이때 화학 액체를 이용하면 습식 식각이라고 부르며 가스를 이용하면 건식 식각이라고 합니다. 건식은 비용이 비싸고 다루기 어렵지만 정교한 식각이 가능하여 초미세공정에서 주로 이용됩니다.

 

⑤감광액 제거

불필요한 감광액은 제거액을 통해서 없애줍니다. 

 

⑥증착

반도체는 층층이 절연막층과 금속막 층으로 이루어져 있습니다. 금속막 층은 회로 간 전기신호를 연결해주며 절연막층은 금속막 층과 내부로 연결된 층을 전기적으로 분리하거나 오염물질로부터 보호해줍니다. 그래서 부도체인 웨이퍼가 반도체 성질이 띄게 됩니다. 이 층들을 아주 얇은 박막이라고 하는데 이 박막을 쌓는 공정을 증착이라고 합니다. 증착 방식에 따라 물리적 증착방식과 가스의 화학반응 증착으로 나뉩니다. 

 

⑦이온주입

실리콘으로 만들어진 웨이퍼가 전기적인 성질을 가지게 하려면 불순물인 이온을 주입해야 합니다. 붕소나 이 같은 불순물을 가스 입자로 만들어서 원하는 깊이만큼 웨이퍼에 넣어주어서 전도성을 갖게 만듭니다. 이온주입으로 전류가 통하게 되면서 반도체의 성질을 갖게 됩니다.

 

산화> 포토공정 > 식각 > 세정 > 증착 과정을 반복하면서 이제부터 계속해서 반도체를 만들어 나갑니다. 이걸 수백 번 쌓아가면서 칩을 쌓아 올립니다. 반도체 칩을 만들 때 상당히 오래 걸리는 이유가 여기에 있습니다.

 

4. 검사

이제 만들어진 칩들이 품질 수준에 도달했는지를 테스트해보게 됩니다. 작동이 잘되는지를 EDS나 Proble Test를 통해서 살펴봅니다. 테스트가 마치면 다이아몬드 절단기나 레이저로 절단하게 됩니다. 

 

5. 패키징

절단된 칩들을 각각의 기계에 맞게 포장되어야 합니다. 이것을 패키징이라고 합니다. 금속기판인 프레임에 반도체 칩이 고정되어 전기적으로 연결되게 합니다. 이 위에 에폭시 수지 등으로 밀봉하여 제품명을 새기면 드디어 반도체 공정이 끝이 납니다. 

 

글을 마치며

 

길고 긴 반도체 공정에 대해서 살펴봤습니다. 공정이 긴 만큼 웨어퍼 가공단계까지를 전공정이라고 부르며, 검사와 패키징을 후공정이라고 부릅니다. 

 

한 회사가 모든 공정을 다 하는 경우 종합 반도체 기업이라 부르며 삼성전자, SK하이닉스, 인텔, 마이크론밖에 없습니다. 

 

생산설비 없이 설계만 하는 회사를 팹리스라고 하고 대표적으로 퀄컴이나 SK실리콘이 있고 주로 미국 업체가 강합니다. 설계도면에 따라서 웨어 가공에만 집중하는 회사는 파운드리라고 하며 대표적으로는 TSMC와 SMIC, DBHiTek가 있습니다. 

 

오직 후공정징만 하는 곳은 앰코 패키징, 하나마이크론이 있습니다. 반도체 장비업체들은 업계 1위 ASML, 니콘, 주성엔지니어링, 원익 IPS, 한미 반도체 등이 있습니다.