안녕하세요! 오늘은 반도체 8대 공정 중 가장 첫 번째 단계인 웨이퍼 제조 공정에 대해서 복습해보려고 합니다.
지난 번엔 포토, 에칭, 박막 증착 공정까지 했었고 이 공정들에서 공통적으로 사용되는 웨이퍼에 대해서 알아보겠습니다!!
1. 개념
먼저, 웨이퍼란 결정질 실리콘(Si)과 같은 반도체의 얇은 조각으로, 직접 회로 제조에 사용되며 광전지에서는 제조에 사용됩니다.
결국 간단히 말해, 웨이퍼는 잉곳이라는 기둥 모양을 원판 모양으로 자른 판입니다.
그래서 웨이퍼는 웨이퍼 내부 및 웨이퍼 위에 내장된 마이크로 전자 장치의 기판 역할을 하게 됩니다.
아직 이해가 되지 않을 수 있는데 아래에서 웨이퍼와 잉곳에 대해 자세히 알아보겠습니다. 그렇다면 더 잘 이해될 수 있겠죠?!
먼저 기본적으로 웨이퍼는 실리콘 기반의 웨이퍼가 가장 흔하게 사용됩니다.
실리콘 기반의 웨이퍼를 사용하는 이유는 다음과 같습니다.
• 구하기 쉽고, 산화막 생성이 쉽다.
• 무독성이며 환경 영향성이 낮다.
• 고온 공정에 유리한 높은 용융점을 가지고 있다.
• 비저항 범위가 넓어 도핑량 조절로 저항 수준을 선택 가능하다.
실리콘 이외에도 Ge웨이퍼, SiO₂ 웨이퍼, Al₂O₃웨이퍼 등이 있습니다.
실리콘 기반 웨이퍼 중에서도 기능에 따라 분류할 수 있는데요.
연마 웨이퍼, 에피택시 웨이퍼, SOI 웨이퍼, 박막/후막 웨이퍼 등으로 나눌 수 있습니다.
이 중 연마 웨이퍼가 가장 기본적인 웨이퍼라고 볼 수 있고 오늘은 실리콘 기반 웨이퍼에 대해 알아보겠습니다.
전기적 특성에 따라 분류한다면 N-type, P-type으로 나눌 수 있습니다.
원래 Si는 최외각 전자가 4개이고, 주변에 4개의 원자와 공유 결합하는 4가 원조 구조입니다.
실리콘 결정을 이루고 있는 원자 중 하나가 다른 불순물 원자와 대체되면 최외각 전자의 개수가 증가 또는 감소하여 N타입 또는 P타입으로 나눌 수 있게 됩니다.
위 그림처럼 5족원소가 치환이 되면 잉여 전자가 생겨 음극을 띠는 것을 N-Type이라고하고, 3족원소가 치환되어 잉여 정공이 생기는 것을 P-Type이라고 합니다.
그렇다면 N-Type에서 다수 운반자는 전자이고, P-Type에서 다수 운반자는 정공이 되겠죠? ㅎㅎ
반대로 N-Type에서 소수 운반자는 정공이고, P-Type에서 소수 운반자는 전자입니다.
2. 실리콘 웨이퍼 제조
• 원료 채취
1) 원석
먼저 실리콘 단결정을 성장 시키기 위해 원료가 되는 규암 또는 산화규소(SiO₂)를 준비해줍니다.
2) 다결정 실리콘화
실리콘을 추출하기 위해 1460°C의 아크 로(Arc Furnace)안에서 반응을 시켜줍니다.
반응 식은 다음과 같습니다.
SiO₂(s) + C(s) → Si(s) + CO₂(g)
이 반응을 통해 순도 98~99%의 실리콘, MGS(Metallurgical Grade Silicon)을 얻을 수 있지만 반도체에 사용될 웨이퍼로 만들기 위해서는 부족하며 더 고순도화 시켜주어야 합니다.
3) 고순도화
300°C에서 FBR(Fluidized Bed Reactor)법을 이용해 고순도화 시켜줍니다.
Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂
4) 다결정 실리콘화
1100°C에서 화학기상증착 반응을 통해 순도 99.999999999%의 전자 소자 급 실리콘, EGS(Electronic Grade Silicon)을 얻게 됩니다.
SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl
이렇게 얻은 실리콘을 초크랄스키(Czochralski) 성장법을 통해 단결정으로 성장시켜줍니다.
• 실리콘 단결정 성장
위의 그림과 같이 첫번째로 EGS를 용융시켜 액체 상태의 실리콘에 씨드(Seed)를 접합시켜줍니다.
그 상태로 천천히 로를 회전하며 끌어올리게 되면 액체 상태의 실리콘이 담긴 로와 공기 중의 온도 차이로 고-액 계면은 고체화됩니다.
이후 용융점 아래의 온도 구배 영역까지 완전히 끌어올려 고체화 시켜줍니다.
이것을 잉곳이라고 부릅니다!!
글의 앞에서 설명한 잉곳, 기억나시나요?! 이 잉곳을 썰어 가공시켜주면 웨이퍼를 얻을 수 있게됩니다!!!
• 웨이퍼 가공
그림처럼 성장된 잉곳 단결정을 원하는 두께로 절단시켜줍니다.
이렇게 자른 조각은 표면이 거칠하겠죠? 그래서 표면 연마 과정을 거쳐 웨이퍼의 한쪽 면을 닦아 경면 상태로 가공해줍니다.
마지막으로 결정 방향을 표시해주면 되는데요, 장비 안에서 웨이퍼가 자동화된 조작을 위해 방향을 표시하는 것입니다.
플랫(Flat)한 모양과 넛치(Notch)모양으로 가공을 해주면 웨이퍼 제조 공정이 끝마치게 됩니다!
이 글은 한국기술교육대학교의 반도체 제조 공정 개발을 수강한 후 작성하였습니다!
p.s. 반도체 공부를 시작한지 얼마되지 않았고 네번째 글이지만 이번 공정을 공부하며 반도체에 대해 처음으로 재미를 느꼈던 것 같습니다!
오늘 한 복습 중엔 학교에서 배운 것도 있고 이해하기도 쉬워서 글 쓰기가 수월했습니다. ㅎㅎ
하지만 아직은 틀린 것도 있고 부족한 부분도 있겠지만 앞으로 더 열심히 해보겠습니다! ㅎㅎ
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