[반도체 제조 공정 #1] 웨이퍼(Wafer)

웨이퍼(Wafer) 란?

스마트폰, 노트북, 자동차, TV, 신용카드 등 우리 일상생활 전반에 반도체가 사용되고 있습니다. 이러한 반도체는 어떻게 만들어지는 걸까요?

반도체에 조금이라고 관심이 있는 분들이라면 '반도체 8대 공정'이라는 말을 들어보셨을 겁니다. 반도체 하나가 완성되기까지 수백 번의 공정을 거치는데, 이 과정들을 크게 8개의 공정으로 구분한 것입니다.
이번 포스팅에서는 반도체 집적 회로의 핵심 재료이자, 반도체를 만들기 위해 가장 먼저 만들어야 할 '웨이퍼'에 대해 알아보겠습니다.

 

 

1. 웨이퍼 재료

반도체 집적 회로란, 다양한 기능을 처리하고 저장하기 위해 많은 소자를 하나의 칩에 '집적'한 전자부품을 말합니다.
웨이퍼라는 얇은 기판 위에 다수의 동일 회로를 만들어 반도체 집적회로가 탄생하기에, 웨이퍼는 반도체의 기반이라고 할 수 있습니다.

웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 얇은 두께로 절단하여 만든 원판을 말하며, 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 실리콘으로 만듭니다.

반도체 산업을 기반으로 성장하여 전 세계 소프트웨어 산업의 중심지가 된 실리콘 밸리(Silicon Valley)는 반도체 재료인 실리콘(Silicon)과 산타클라라 인근의 계곡(Valley)이 합쳐져 만들어진 지명이라고 합니다. 실리콘은 지구상에 풍부하게 존재하고 있어 안정적인 수급이 가능하고, 독성이 없어 환경적으로 우수하다는 장점이 있습니다.

 

2. 웨이퍼 제조 공정

1단계. 잉곳(Ingot) 만들기

모래에서 추출한 웨이퍼를 반도체 재료로 사용하기 위해서 순도를 높이는 정제 과정이 필요합니다. 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 실리콘 용액을 만들고, 결정을 성장시켜 실리콘 기둥을 만듭니다. 이렇게 만들어진 실리콘 기둥을 잉곳(Ingot)이라고 합니다. 반도체용 잉곳은 실리콧 잉곳 중에서도 초고순도 잉곳을 사용합니다.

2단계. 웨이퍼 절단하기(Wafer Slicing)

잉곳을 얇은 원판형 웨이퍼로 만들기 위해서는 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 써는 작업이 필요합니다. 웨이퍼의 크기는 웨이퍼의 지름으로 나타내며, 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치) 등이 있습니다. 웨이퍼의 두께가 얇아질수록 제조원가가 감소하며, 웨이퍼의 크기가 커질수록 한 번에 생산할 수 있는 반도체 칩의 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께는 얇아지고 크기는 점점 커지는 추세입니다.

3단계. 웨이퍼 표면 연마하기(Lapping & Polishing)

미세 반도체 회로를 만들기 위해서는 웨이퍼의 표면을 거울처럼 매끄럽게 만들어야 합니다. 절단된 직후의 웨이퍼 표면은 결함이 많고 거칠기 때문에 연마액과 연마 장비를 이용하여 웨이퍼의 표면을 매끄럽게 만듭니다.
연마 가공이 이루어지기 전의 웨이퍼는 아직 옷을 입지 않은 상태라는 의미로 베어 웨이퍼(Bare Wafer)라고 합니다.

 

 

3. 반도체 웨이퍼 명칭

• 웨이퍼(Wafer): 반도체 집적회로의 핵심 재료인 원형의 판.
• 다이(Die): 둥근 웨이퍼 위 사각형 모양으로 전자 회로가 집적되어 있는 IC 칩
• 스크라이브 라인(Scribe Line): 다이와 다이 사이에 일정한 간격을 두고 떨어져 있는 공간. 웨이퍼 위 IC 칩을 만들기 위한 가공이 끝난 뒤, 만들어진 다이들을 다이아몬드 톱으로 잘라내기 위한 다이 사이의 공간.
• 플랫 존(Flat Zone): 웨이퍼의 구조를 구별하기 위해 만든 영역으로 웨이퍼 가공 시 기준선이 됨.
• 노치(Notch): 최근 플랫 존을 대체한 웨이퍼 구조 구별 방법이며, 웨이퍼 제거 면적을 최소화하여 반도체 생산 효율을 향상.