컨텐츠 본문

[반도체 8대 공정] 1탄, ‘웨이퍼’란 무엇일까요?




반도체 없이 24시간을 생활할 수 있을까요? 휴대전화, 노트북은 물론 자동차, 텔레비전, 신용카드 등 우리 생활의 많은 부분에 반도체가 있기 때문에 생각보다 쉽지 않을 텐데요. 그렇다면 우리 삶과 밀접하게 연결돼 있는 반도체는 어떻게 만들어지는 걸까요?





반도체에 관심이 있는 분이라면 반도체 8대 공정이라는 말을 많이 들어 봤을 겁니다. 반도체 8대 공정이란 말 그대로 반도체가 완성되기까지 거치는 수백 번의 과정을 크게 8개의 공정으로 구분한 것인데요.

 

삼성반도체이야기에서는 블로그 리뉴얼을 맞아 채널 최고 인기 콘텐츠인 반도체 8대 공정에 대해 다시 한번 다루고자 합니다. 오늘은 8단계의 공정 중 첫 번째인 웨이퍼(Wafer) 제조에 대해 알아볼 텐데요. 반도체 집적회로의 핵심 재료인 웨이퍼란 무엇인지, 웨이퍼를 만드는 단계부터 차근차근 확인해 보겠습니다.


 

▶ 웨이퍼 제조에 필요한 재료


웨이퍼를 알아보기에 앞서 한가지 질문! 반도체 집적회로(Semiconductor Integrated circuit)와 웨이퍼는 어떤 관계일까요? 반도체 집적회로란, 다양한 기능을 처리하고 저장하기 위해 많은 소자를 하나의 칩 안에 집적한 전자부품을 말합니다. 웨이퍼라는 얇은 기판 위에 다수의 동일 회로를 만들어 반도체 집적회로가 탄생되는 만큼, 웨이퍼는 반도체의 기반인 셈이죠. 피자를 만들 때 토핑을 올리기 전, 도우를 만들듯이 말입니다.

 

웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미하는데요. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 만듭니다.

 

반도체 산업을 기반으로 성장해 전 세계 소프트웨어 산업의 중심지가 된 미국 실리콘밸리(Silicon Valley)의 경우 반도체 재료 실리콘(Silicon)’과 산타클라라 인근 계곡(Valley)’에서 만들어진 지명이라고 하는데요. 실리콘밸리와 연결 지어 생각하면 반도체 웨이퍼 재료 실리콘도 기억하기 쉽겠죠? 실리콘은 지구상에 풍부하게 존재하고 있어 안정적인 재료 수급이 가능하고, 독성이 없어 환경적으로도 우수하다는 장점을 가지고 있습니다. 그럼 본격적으로 웨이퍼 제조공정에 대해 알아볼까요?





1단계. 잉곳(Ingot) 만들기


모래에서 추출한 실리콘을 반도체 재료로 사용하기 위해서는 순도를 높이는 정제 과정이 필요합니다. 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것을 결정 성장시켜 굳히는 건데요. 이렇게 만들어진 실리콘 기둥을 잉곳(Ingot)이라고 합니다. 수 나노미터(nm)의 미세한 공정을 다루는 반도체용 잉곳은 실리콘 잉곳 중에서도 초고순도의 잉곳을 사용합니다.

 

2단계. 얇은 웨이퍼를 만들기 위해 잉곳 절단하기(Wafer Slicing)


둥근 팽이 모양의 잉곳을 원판형의 웨이퍼로 만들기 위해서는 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 써는 작업이 필요합니다. 잉곳의 지름이 웨이퍼의 크기를 결정해 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치) 등의 웨이퍼가 되는데요. 웨이퍼 두께가 얇을수록 제조원가가 줄어들며, 지름이 클수록 한번에 생산할 수 있는 반도체 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세입니다.

 

3단계. 웨이퍼 표면 연마(Lapping&Polishing) 하기


절단된 웨이퍼는 가공을 거쳐 거울처럼 매끄럽게 만들어야 되는데요. 절단 직후의 웨이퍼는 표면에 흠결이 있고 거칠어 회로의 정밀도에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 그래서 연마액과 연마 장비(Polishing machine)를 통해 웨이퍼 표면을 매끄럽게 갈아냅니다.

 

가공 전의 웨이퍼를 아직 옷을 입지 않은 상태라는 의미로 베어 웨이퍼(Bare wafer)라고 합니다. 여기에 여러 단계의 물리적, 화학적 가공을 거쳐 표면에 IC를 형성시키고 가공 단계를 거치면 아래와 같은 모습이 되는데요. IC칩까지 완성된 웨이퍼 각각의 명칭을 알아볼까요?






① 웨이퍼(Wafer): 반도체 집적회로의 핵심 재료로 원형의 판을 의미합니다.


② 다이(Die): 둥근 웨이퍼 위에 작은 사각형들이 밀집돼 있는데요. 이 사각형 하나하나가 전자 회로가 집적되어 있는 IC칩인데, 이것을 다이라고 합니다.


③ 스크라이브 라인(Scribe Line): 맨눈으로는 다이들이 서로 붙어있는 듯 보이지만, 사실 다이와 다이들은 일정한 간격을 두고 서로 떨어져 있습니다. 이 간격을 스크라이브 라인이라고 합니다. 다이와 다이 사이에 스크라이브 라인을 두는 이유는, 웨이퍼 가공이 끝난 뒤, 이 다이들을 한 개씩 자르고 조립해 칩으로 만들기 위해서인데요. 다이아몬드 톱으로 잘라낼 수 있는 폭을 두는 것이죠.


④ 플랫존(Flat Zone): 웨이퍼의 구조를 구별하기 위해 만든 영역으로 플랫존은 웨이퍼 가공 시 기준선이 됩니다. 웨이퍼의 결정구조는 매우 미세해 눈으로 판단할 수 없기 때문에 이 플랫존을 기준으로 웨이퍼의 수직, 수평을 판단합니다.


⑤ 노치(Notch): 최근에는 플랫존 대신 노치가 있는 웨이퍼도 있습니다. 노치 웨이퍼가 플랫존 웨이퍼보다 더 많은 다이를 만들 수 있어 효율이 높습니다.

 



반도체 사업에는 웨이퍼를 생산하는 웨이퍼 산업과 웨이퍼를 자재로 해 회로를 설계하고 제조하는 웨이퍼 가공산업인 팹(FAB, Fabrication) 산업이 있습니다. 또한, 가공된 웨이퍼를 가져다가 다이를 잘라서 습기나 압력에 보호받게 포장(package)하는 어셈블리(assembly) 사업도 있습니다.

 

오늘은 이 중 웨이퍼의 개념과 명칭, 생산 과정에 대해 알아봤습니다. 앞으로 반도체 8대 공정의 각 과정을 알기 쉽고 재미있게 소개할 예정이니 기대해 주세요!







댓글

  • 이전 댓글 더보기
  • ㄱㄴ
    2017.12.07 23:34
    잉곳만들땐 어떤 방식을 사용하나요?
  • 민인홍
    2017.12.14 19:33
    웨이퍼 명칭, 공정 과정을 쉽게 알려주셔서 감사합니다^^~
  • 전호준
    2018.01.08 14:07
    웨이퍼 판을 둥글게 만 만들수 있는 건가요? 사각형 모양이 더 효율적인거 아닌가요?
    둥글게 만 만들수 있다면 그 이유는 무엇인가요??
    • 'ㅁ'
      2018.01.15 14:00
      말씀하신대로 실리콘 용액을 사각 틀에 넣어 굳힌 사각형 모양의 잉곳도 있어요. 하지만, 고순도의 실리콘 잉곳이 필요한 반도체는 실리콘 결정을 중심으로 원심력을 이용해 결정 성장시킨 둥근 기둥 모양의 잉곳을 사용한다고 하네요
    • FOUNDRY
      2020.05.03 16:23
      실리콘 잉곳을 형성할때 가장 흔하게 쓰는 방식이 초크랄스키 방식인데 crystal seed를 pulling하면서 애초에 잉곳이 원기둥 형태로 나오는데다가 포토공정의 spin coating이나 CMP 공정에서 원심력을 사용하기 때문에 웨이퍼 엣지 부분을 버리더라도 원으로 사용합니다.
    • 2020.07.07 20:55
      사각형의 경우 uiformity를 맞추는 데에 단점이 있습니다. 형태적인 불균일성으로 인해 네 모퉁이에서는 공정 특성이 다르게 나타날 가능성이 있어 보입니다. 열적 특성, 플라즈마 특성 모두 문제가 있어 보입니다. 그리고 radial 방향의 uniformity를 위해 회전을 하면서 진행되는 공정들이 많습니다. 이 경우는 uniformity가 확실히 원형이 가장 좋은 형태입니다. radial 방향으로 완전한 대칭이니까요.
  • 이홍모
    2018.01.27 17:50
    반도체에 관심이 많아 찾아 왔습니다
    많은 지도 편달 부탁드립니다
    감사합니다
  • 양승환
    2018.03.14 20:46
    웨이퍼가 몇 층으로 구성되는지를 설명해주실수있나요?
    • 안녕하세요. 한 반도체 칩이 만들어지기 위해 웨이퍼 위에 수많은 반도체 회로가 형성되나 제품마다 구조가 상이해 층 수를 말씀드리기는 어려울 것 같습니다. 감사합니다.
  • 이정진
    2018.04.06 13:00
    안녕하세요. 현재 반도체 관련 연구를 진행하려고 하는데 관련 전공이 아님에도 쉽게 이해할 수 있어서 좋네요! 좋은 글 감사드립니다~!
  • 송지현
    2018.06.01 23:18
    웨이퍼 위에 다이들이 있잖아요? 그럼 이러한 다이들도 모두다 잉곳 성분인가요? 아니면 다른 물질을 도포한건가요?
    • 양찬호
      2018.06.04 08:45
      다이들은 반도체가 집적된 하나의 소자입니다. 잉곳은 아닙니다.
  • 2018.07.22 14:44
    비밀댓글입니다
  • 김윤희
    2018.07.28 13:59
    웨이퍼란? 피자를 만들 때, 토핑을 올리기 전 도우~ ^^ 감사합니다.
  • 김원재
    2018.08.07 02:18
    쉽게 잘 설명해주셔서 감사합니다!! 8대공정을 이 홈페이지에서 공부해도 충분할 것 같습니다
  • 김원재
    2018.08.07 02:18
    쉽게 잘 설명해주셔서 감사합니다!! 8대공정을 이 홈페이지에서 공부해도 충분할 것 같습니다
  • 박경석
    2019.02.15 09:37
    반도체 벨류체인에 대한 자료가 필요합니다. 작성된 자료를 파일로 받을수 있을까요?? 메일로 주시면 더욱감사하겠습니다..richguy9036@gmail.com ..
  • 배하린
    2019.04.08 17:09
    왜 실리콘 웨이퍼를 절단하면 반듯하게 잘리는지 알수 있나요?
    • 여경훈
      2019.09.05 21:15
      그건 실리콘 웨이퍼가 단결정(single crystal)으로 되어있기 때문입니다.
  • BAE
    2019.06.25 12:16
    알기 쉽게 설명 해 주셔서 감사드립니다.
  • Y
    2020.02.15 12:51
    글 잘읽었습니다! 덕분에 웨이퍼에대해 잘 알게된거같아좋아요! 혹시 노치나 플랫존을 수직과 수평을 판단하기위해 사용한다그랬는데 수직과 수평을 판단하는 이유를 알수있을까요?
    • FOUNDRY
      2020.05.03 16:20
      웨이퍼의 실리콘 결정 격자 방향을 구분해주기 위해 노치나 플랫존으로 마킹을 해줍니다.
  • 김진태
    2020.04.10 15:47
    유용한 지식소개 감사합니다
  • kws03163
    2020.04.21 13:23
    웨이퍼의 크기가 크면 수율이 좋기 때문이 크게 만든다고 알고 있습니다. 하지만 현재 웨이퍼는 최대 10인치 정도로만 만들고있는데, wafer를 더 크게 만들게 되면 생기는 문제는 무엇이 있을까요?
    • FOUNDRY
      2020.05.03 16:18
      현재 업계에서 메인스트림으로 쓰는 웨이퍼 사이즈는 12인치 웨이퍼로 300mm 웨이퍼를 사용합니다. 웨이퍼를 크게 하면 생산성이 좋아지지만 일단 기존의 설비를 전부 다 450mm 웨이퍼 전용으로 교체 해야하는데 이 비용이 천문학적이구요 대형 웨이퍼는 Flatness, Microroughness, Oxygen content, defects, particles 등 수많은 파라미터를 컨트롤해야하는데 많이 까다로워서 상용화가 안된걸로 알고 있씁니다.
    • 2020.07.07 20:48
      FOUNDRY님이 설명 잘 해 주셨는데 하나 더 추가하자면, 대면적 공정의 가장 큰 문제 중 하나가 uniformity입니다. 공정을 진행할 때에 웨이퍼 전면에 걸쳐서 동일한 output을 내야 하는데 쉽지가 않습니다.
      OLED 제조의 경우에도 적층 uniformity가 안나오기 때문에 glass를 반이나 4등분으로 쪼개서 공정을 진행합니다.
  • 콩콩
    2020.06.22 01:35
    1. '플랫존'과 '노치'를 설명하는 부분에서 노치 웨이퍼가 플랫존 웨이퍼보다 더 많은 다이를 만들 수 있는 이유가 무엇인가요?
    2. 제가 알기로는 반도체 산업에는 크게 메모리 반도체 분야와 비메모리 반도체 분야로 이루어져있고, 비메모리 반도체 분야는 다시 팹리스, 파운드리, 패키지 분야로 이루어져 있다고 합니다. 그런데 글의 마지막 문단에서 반도체 사업을 웨이퍼 산업과 팹 산업으로 분류하셨는데, 이 내용은 반도체 전체에 대한 설명인가요? ㅜㅜ
    제가 비전공자라 모르는 점이 많습니다.ㅜㅜㅜ
    • 2020.07.07 20:39
      Flat zone은 보시다시피 손실 면적이 크기 때문에(원에서 일부 호 형태를 제거한 형태) 당연히 notch 방식(거의 원 형태)이 더 많은 다이를 만들어냅니다.
      전자는 6인치 wafer까지만 사용을 했으며, 8인치, 12인치는 모두 notch 방식입니다.

      산업 구분은 Device로 구분하자면 메모리 비메모리로 나눌 수 있으며,
      공정 기준으로 나누자면 팹리스(칩 디자인(설계) - 퀄컴, 애플), 파운드리(설계 도면을 받아서 위탁생산: 전공정, 후공정 모두 포함 - TSMC, GLOBALFOUNDRIES, 삼성전자 반도체), OSAT(Outsorced Assembly & Test : 후공정 아웃소싱 - ASE, AMKOR), 그리고 설계, 전공정, 후공정까지 모두 소화하며 자체적으로 칩을 만드는 종합 반도체 회사(IDM: Integrated Device Manufacturer - 삼성전자 반도체, hynix, Intel, Micron)로 볼 수 있습니다.
      웨이퍼 제조(Shinetsu, SUMCO, SK Siltron)같은 경우는 그냥 원자재 제조하는 곳이라고 보시면 됩니다. 이는 사람마다 다르게 얘기하지만 제 생각에는 앞에서 언급한 분야보다 비중이 작아서 굳이 큰 항목으로 분류할 필요는 없어 보입니다.
  • swt
    2020.06.25 10:41
    notch 타입의 wafer와 flat zone 타입의 장단점을 알 수 있을까요?
  • sc
    2020.07.10 17:35
    1.잉곳 절단에는 어떤 기술들이 있을까요? 다이아몬드 와이어를 이용해서 자르거나 또는 레이저 광선을 이용한 가공 외에도 또 있을까요?