첨단산업 기업 투자 시 필수 이해 영역, '반도체 8대 공정'

[월드투데이 성연수기자] 최근 반도체 관련 산업이 심상치 않다. 하지만 반도체에 대해 아는 것이 없어 지금 상황을 이해하기 어렵다면 이젠 배워야 할때다. 반도체는 이미 외면할 수 없을 만큼 우리 생활에 너무나도 가까이 와있다.

반도체란 전기가 잘 통하는 '도체'와 그렇지 않은 '부도체'의 중간 영역으로 특정 상황에서만 전기가 통하는 물질이다. 산업 영역에서 반도체는 흔히 칩이라고 불리는 집적회로(IC, Integrated Circuit)를 뜻한다.

최근 첨단 산업 시대에 하나의 기기가 여러 기능을 수행하게 되면서 많은 반도체가 필요해졌다. 자율주행 차량에는 반도체가 3,000개나 들어가며, 휴대폰의 경우 반도체 덩어리라 봐도 무방하다.

또한 하나의 반도체가 완성되기까지 수백 번의 과정을 거친다. 이를 크게 8개의 공정으로 구분해 '반도체 8대 공정'이라 부른다.

반도체 제조과정은 크게 전공정과 후공정으로 나누며 전공정에는 '웨이퍼 제조', '산화 공정', '포토 공정', '식각 공정', '증착&이온주입 공정', '금속 배선 공정'이 있으며 후공정으론 'EDS 공정(전기적 테스트 공정)과 '패키징 공정'이 있다.

① 웨이퍼 제조

웨이퍼란 우리가 반도체라 부르는 '집적회로(IC)'를 만드는데 사용하는 주재료다. 

웨이퍼는 거대하게 성장시킨 원통형 실리콘(Si)인 '잉곳(Ingot)'을 적당한 두께로 얇게 썰고 연마한 '원판'을 의미한다.

웨이퍼의 두께를 얇게 할수록 한 잉곳에서 만들 수 있는 웨이퍼의 개수가 늘어나고, 웨이퍼의 지름이 클수록 한 번에 많은 반도체 칩을 생산할 수 있어 최근 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세다.

② 산화 공정

산화공정은 실리콘판인 웨이퍼에 오염물질이나 화학물질을 막는 얇은 산화막을 만드는 과정이다.

산화막은 회로와 회로 사이 전류가 누설되는 것을 막아준다. 또 이온주입 공정에선 이온이 확산하는 것을 차단하며 식각공정에서 필요한 부분이 잘못 식각 되는 것을 방지하는 역할도 한다.

산화공정 방법으론 주로 800~1200도의 고온에서 실리콘(Si)을 산소(O2)나 산소와 수증기(O2, H2O)에 노출해 산화막을 형성하는 열 산화 방법이 가장 보편적이다.

③ 포토 공정

포토 공정은 반도체의 성질을 띠도록 회로를 그려 넣는 공정이다.

회로의 설계가 정밀할수록 더 많은 논리소자를 그려 넣을 수 있고, 이를 위해선 단위소자도 미세공정을 통해 작게 만들어야 한다.

산화막이 생긴 웨이퍼에 빛과 반응하는 감광액을 얇고 정밀하게 바른 후 '노광장치'를 이용해 회로 패턴이 담긴 '마스크'에 빛을 통과시켜 회로를 찍어낸다.

그 후 현상액을 뿌려 노광 되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 패턴을 형성한다.

반도체 기술은 차세대 최신 기술로 그 중 반도체의 성질을 결성하는 포토 공정 기술은 세심하고 높은 수준의 기술이 요구된다.

찍어낸 회로는 집적회로라 하며 이 회로에 따라 하나의 칩이 다양한 기능을 처리하고 저장할 수 있게 되며 반도체의 사용처가 달라진다.

④ 식각 공정

웨이퍼에 앞서 그려진 회로를 마치 조각을 파내듯 깎아내어 반도체 회로를 만드는 과정을 식각 공정이라 하며, 영어로는 에칭(Etching)이라고 한다.

식각공정은 회로 패턴을 제외한 부분을 가스로 깎는 건식과 화학액으로 파내는 습식으로 나뉜다. 

최근에는 습식보다는 건식이 더 선호되는데, 건식이 더 비싸고 방식도 복잡하지만 미세한 패턴을 더 깊게 뚫을 수 있기 때문이다.

과거에는 EUV 기술이 아니면 20나노 이하의 반도체를 만들 수 없었지만 '포토 공정의 노광 과정'과 '식각 공정'을 여러 번 반복하는 멀티패터닝 기술을 통해 이 한계를 극복할 수 있게 되었다.

한편 멀티 패터닝 기술은 필요한 공정의 수가 늘어나 시간과 비용이 증가한다는 단점도 있다.

⑤ 증착 공정과 이온주입 공정

증착 공정은 겉에 아주 얇은 보호막인 '박막'을 만드는 과정이며, 이온 주입 과정은 말 그대로 이온을 주입해 반도체가 전기적 특성을 갖도록 만드는 과정이다.

웨이퍼에 1마이크로미터 이하의 얇은 박막을 덮는 과정을 '증착'이라고 한다.

현재 반도체 공정에서는 화학식을 이용한 화학적 기상증착방법(CVD)이 주로 활용된다. 그 중 사용하는 외부 에너지로 열, 플라스마, 광중 무엇을 사용하느냐에 따라 세분화된다.

이어 이온주입 공정을 거쳐 반도체가 전기적인 성질을 가지게 된다. 규소로만 이루어진 반도체는 전기가 잘 통하지 않으니 불순물을 넣어 전류가 잘 흐르는 형태로 바꾸어주는 것이다.

이온을 미세한 가스 형태로 웨이퍼 전면에 만들어 원하는 깊이만큼 균일하게 넣어준다. 이떄 사용되는 이온은 주로 15족 원소인 인(P), 비소(As)나 13족 원소인 붕소(B)가 사용된다.

⑥ 금속 배선 공정

금속 배선 공정은 앞서 포토, 식각, 이온주입, 증착 공정을 통해 만들어진 반도체 회로에 전기적 신호가 잘 전달 되도록 금속 선을 연결하는 작업을 뜻한다.

적합한 금속으론 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W)이 있으며 대표적으로 알루미늄이 사용된다.

금속 배선은 증착을 통해 형성한다. 금속을 증기 형태로 만들어 웨이퍼에 얇은 금속 막을 만든다.

⑦ EDS 공정

전기적 특성을 통해 개별 칩에서 불량품을 골라내는 과정이다.

웨이퍼에 불량 칩이 있는지 확인하고, 고칠 수 있는 불량 칩을 수선한다. 또 설계와 공정에서 문제점을 찾아 수정함으로써 하나의 웨이퍼에서 최대한 사용 가능한 칩이 많게 만든다.

불량테스트인 EDS 공정은 5단계로 나누어 볼 수 있다.

EDS 공정은 불량제품을 골라냄으로서 신뢰성을 효과적으로 향상시키고 불량품을 줄여 수율을 높인다.

수율은 그 회사의 생산능력을 평가하는 요소로 정밀한 EDS 공정은 곧 회사 제품의 신뢰도로 이어진다.

⑧ 패키징 공정

완성된 웨이퍼를 하나하나 낱개의 칩으로 자른 것을 '다이(Die)'라고 한다. 하지만 그저 칩만 있어서는 외부와 전기신호를 주고받을 수 없고 손상을 입기 쉬워 전자기기에 장착되기 전 마지막으로 패키징 공정을 거친다

웨이퍼를 다이아몬드 톱이나 레이저 광선을 이용해 절단한 후 절단된 칩을 회로 연결과 골격 역활을 해주는 '리드프레임' 또는 PCB(Printed Circuit Board)에 연결한다.

그 후 전기적 성질을 위해 금선을 연결해주어 외부 전원이 연결할 수 있도록 하고, 마지막으로 겉모습을 원하는 모습으로 만드는 성형과정을 거친 후 마지막으로 불량품 검사를 한 후 반도체가 만들어진다.

[출처=삼성전자, SK하이닉스]