4.반도체 전공정

 

 

 

 

 

 

 

 

 

●반도체 전공정

 

 

 

 

 

 

 

반도체공정은 전공정과 후공정으로 나눈다.전공정은 웨이퍼공정, 산화공정, 포토공정, 식각공정, 박막(증착)공정, 금속배선공정으로  나누고, 후공정은 EDS공정, 패기징공정으로 나눈다.전공정과 후공정을 합하여 반도체8대공정이라고 한다.

 

 

 

 

 

반도체 전공정은  웨이퍼공정- 산화막형성--포토(노광)공정-현상공정-식각공정-이온주입(전류)-박막(증착공정)-CMP공정(세정)-금속배선과정을 거친다.이중에서도 가장 핵심적인 반도체 전공정은 노광(Photo),식각(Etching),증착(Deposition)의 과정을 거친다.반도체 전공정은 고도의 화학공정을 거치기 때문에 높은 기술력이 필요한 고부가가치를 창출하는 산업이라고 할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

1.웨이퍼 제조

 

 

웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미한다. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 제조한다.이러한 실리콘을 액체화하고 잉곳으로 만들어 절단하고 연마히는 공정이다

 

 

 

 

1). 잉곳 (Ingot)제조

 

모래에서 추출한 실리콘을 반도체 재료로 사용하기 위해 순도를 높이는 정제 과정이 필요하다.실리콘 원료를 뜨거운 열에 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이를 굳혀 실리콘 기둥인 잉곳(Ingot)을 제조한다.

 

​​

2) 잉곳 절단 (Wafer Slicing)

 

둥근 팽이 모양의 잉곳을 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 절단,잉곳의 지름이 곧 웨이퍼의 크기가 된다. 웨이퍼 두께가 얇을수록 제조원가가 줄어들고, 지름이 클수록 한번에 생산할 수 있는 반도체 칩 수가 증가된다.

 

 

​3) 웨이퍼 표면 연마 (Lapping&Polishing)

 

절단된 웨이퍼를 거울처럼 매끄럽게 만들기 위한 가공, 절단 직후의 웨이퍼는 표면이 거칠어 회로의 정밀도에 영향을 미칠 수 있기 때문에 연마액과 연마 장비(Polishing machine)를 통해 웨이퍼 표면 연마한다.

 

 

​4) 웨이퍼구조

 

① 웨이퍼(Wafer): 반도체 집적회로의 핵심 재료인 원형 판

​② 다이(Die): 웨이퍼 위에 있는 작은 사각형들로, 전자 회로가 집적되어 있는 IC칩

​③ 스크라이브 라인(Scribe Line): 다이들을 각각 잘라내기 위해 서로 떨어져 있는 간격

​④ 플랫존(Flat Zone): 웨이퍼의 구조를 구별하기 위한 영역. 웨이퍼의 결정 구조는 매우 미세해 눈으로 판단할 수 없기 때문에 이 플랫존을 기준으로 웨이퍼의 수직, 수평을 판단한다.

​⑤ 노치(Notch): 플랫존을 대신하는 역할

 

 

▶관련기업 으로는 에스티아이, 하나머티리얼즈.티씨케이, sk실트론(비상장기업) 등이 있다.

 

 

 

 

 

 

 

2. 산화 공정(OXIDATION)

 

 

 

1). 산화막형성

 

 

웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태이다.따라서 도체와 부도체의 성격을 모두 가진 반도체의 성질을 가질 수 있도록 만드는 작업이 필요하다. 이를 위해 웨이퍼 위에 여러 가지 물질을 형성시킨 후 설계된 회로 모양대로 깎고, 다시 물질을 입히고 깎는 일을 반복,산화 공정은 웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막(SiO₂)을 형성하여 회로와 회로 사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단하는 가장 기본이 되는 공정이다.

 

 

2). 산화막공정 방법

 

 

①. 열산화방법(Thermal Oxidation)

 

가장 보편적인 방법 800~1,200℃의 고온에서 산소나 수증기를 화학반응시켜 웨이퍼표면을 보호하기 위해 얇고 균알한 실리콘 산화절연막을 형성해 회로간의 누설전류가 흐르는 것을 막아주고 이온주입과정에서 확산방지,식각공정에서는 필요한 부분이 잘못 식각되는것을 방지해주는 역할을 한다. 산화반응에 사용되는 기체에 따라 건식 산화(Dry Oxidation)와 습식 산화(Wet Oxidation)로 나눈다.

 

​i). 건식 산화는 순수한 산소만을 이용한다. 전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있으나 산화막 성장 속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰인다

 

​ii). 습식 산화는 산소와 함께 용해도가 큰 수증기를 사용한다. 건식 산화에 비해 산화층의 밀도는 낮으나 산화막 성장속도가 빨라 두꺼운 막을 형성할 수 있다. 보통 동일한 온도와 시간에서 습식 산화를 통해 얻어진 산화막은 건식 산화 산화막보다 5~10배 정도 더 두껍다.

 

 

②.​ 플라즈마 보강 화학적 기상 증착(PECVD)방법

 

 

③. 전기 화학적 양극 처리방법

 

집적회로IC생성은  다양한 기능을 처리하고 저장하기 위해 많은 소자를 하나의 칩 안에 집적한 전자부품이다.전자 제품들의 성능이 늘어나면서 트랜지스터, 저항, 다이오드, 캐패시터 등을 서로 연결하기 위한 부분이 급격하게 증가, 이를 해결하고자 나온 집적회로는 복잡한 전자 부품들을 정밀하게 만들어 작은 평면에 인쇄하듯 찍어내 차곡차곡 쌓는 방식이다.집적회로를 채우고 있는 소자들 중 트랜지스터는 전원을 켜고 끄는 스위치, 캐패시터는 전하를 충전해 보관하는 창고, 저항은 전류 흐름 조절, 다이오드는 신호를 고르게 전하는 역할을 한다. 이들은 서로 연결되어 전기 신호를 연산하고 저장한다.과거에 사용되었던 접합형 트랜지스터 (Bipolar Junction Transistor)는 제조가 까다롭고 전력 소모가 컸다.1960년에 개발된 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS-FET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 인해 집적회로는 지금에 이르기까지 크게 발전​하였다.

 

 

 

▶관련기업-엘오티베큠, AP시스템.피에스케이, 원익IPS, 원익 Qnc

 

 

 

 

 

3. 포토공정(PHOTOLITHOGRAPHY)

 

집적회로를 만드는데 미세한 회로를 손으로 그려 넣는 것은 불가능하기에 사진을 찍는 방식을 활용,회로 소자들을 매우 작게 패턴화시켜 여러 층으로 그려 넣는 반도체 집적재료를 원하는 패턴으로 깍아내기 위한 사전작업이다.노광공정이 미세할 수록 설계정밀도와 집적도에 영향을 미쳐 반도체의 제품,성능,용량 등에 직결되는 중요공정이다.따라서 미세공정은 반도체공정이 추구하는 고도기술이고,성장하는 주요요소가 된다.

 

 

 

 

 

1).회로패턴설계CAD(Computer Aided Design)

 

컴퓨터시스템을 이용해 웨이퍼에 그려 넣을 회로를 설계한 전자회로패턴으로 그 정밀도가 반도체의 집적도를 결정한다.

 

 

 

2).PHOTOMASK 제작

 

설계된 회로 패턴을 전자 빔(E-Beam) 설비를 통해 유리판 위에 그려 넣어 마스크를 제조한다.반도체의 미세회로를 형상화한 사진원판으로서 투명한 석영기판(유리기판) 상층에 도포된 크롬 박막을 이용해 반도체 집적회로와 LCD 패턴을 실제 크기의 1~5배로 식각해 놓은 것으로 반도체 생산공정에 반드시 필요하다.이 포토마스크를 생산하기 위한 재료로 블랭크마스크가 쓰이는데 이것은 패턴이 노광되기 전의 마스크를 가리키며, Quartz 기판 위에 금속막과 레지스트가 도포된 형태로 이루어져 있다.

 

 

 

▶블랭크마스크관련업체-에스앤에스텍

 

▶펠리클업체- 에프에스티

 

 

 

3). 감광액 도포(PHOTORESISTCOTING)

 

노광공정을 진행하기 위한 전단계로 웨이퍼 표면에 빛에 반응하는 민감한 물질인 감광액(PHOTORESIST)을 골고루 바르는 작업이다.이를 통해 사진을 현상하는 것처럼 웨이퍼를 인화지로 만들어준다.고품질의 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광액(PR)막이 얇고 균일해야 하며 빛에 대한 감도 또한 높아야 한다.

 

 

▶ 감광액국산화관련주-동진세미켐, 금호석유화학

▶ PR COATER/웨이퍼에 감광액을 떨어트리고 고속으로 회전시켜 감광막을 도포하는장비/코디엠

▶ ARF모노머/폴리머장비/이엔에프테크놀리지

▶ 폴리머/경인양행/  PR폴리머/송원산업

 

 

4). 노광(EXPOSURE)

 

감광액 도포 후, 노광 장비(Stepper)를 이용해 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 쏘고, 마스크를 통과한 빛이 웨이퍼 위에 닿아 마스크에 새겨진 회로를 똑같이 찍어내는 과정

 

 

<노광공정의 진화단계>

 

G-LINE 457㎚-ArF193㎚-ArF+immerrim38㎚-EUV13.5㎚-EUV7㎚-EUV5㎚

 

노광공정에 사용되는 광원의 파장이 짧을 수록 미세패턴의 형성이 가능하며 높은 기술력이 요구된다. 최근 차세대 노광공정으로 일컬어지는 EUV(극자외선)공정이 주목받고있다. 짧은 파장을 사용하여 빛을 통해 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 노광기술로서 반도체를 만드는데 필수적인 기술이다.반도체는 미세한 층을 겹겹히 쌓고, 그 때 마다 전기가 통하는 회로를 판화처럼 깍아낸다.이 깍아내기 전에 밑그림을 그리는 작업이 바로 노광공정이다.빛을 이용하여 반복적으로 밑그림을 그려낸다.EUV공정은 기존에 사용하던 ArF(불화이르곤)보다 훨씬 짧은 파장을 가지고 있어, 칩을 더 작고 고용량으로 만들 수 있는 고도의 기술이다.고도기술로 개발된 미러가 EUV빛을 반사하고 새로운 성질의 포토마스크에 그려진 회로를 머금은 빛이 웨이퍼에 가닿는 방식이다.현재 이 EUV노광장비를 만드는 회사는 네덜란드 ASMLD이 유일하다.독점적지위로 판매금액이 어마어마하다.삼성전자가 이 장비를 도입하여 EUV공정라인(화성공장)에서 7나노,5나노 개발에 성공하고 이어서 최근에 양산에 둘어가지는 않았지만 3나노 개발에 성공하고 시제품을 만들었다고 발표하였다.

 

 

 

 

▶EUV공정에 필수적인 포토마스크보호막 펠리클/에프에스티,동운아나텍,에이디테크놀리지,SFA반도체

▶불랭크마스크/에스엔에스텍, SKC

▶PR(감광액)/동진쎄미켐

 

 

 

 

EUV노광공정에서 웨이퍼에 밑그림을 그리기 위해서는 포토레지스트를 얇게 발라야한다.웨이퍼에 회로모양을 설게하기 위해서는 반드시 필요한 물질이다.일본이 수년간 노하우를 축적하여 EUV포토레지스트를 선도적으로 만들어왔다.세계시장의 90% 점유율로 그만큼 영향력이 높다.삼성전자는 이 EUV포토레지스트를 이용해 반도체칩을 만든다.그러나 우리나라는 이 기술이 무르익지 않았다.기술대체를 서둘러야 하는 특단의 조치가 필요하다고 보겠다.

 

 

 

5). 현상공정 (DEVELOP)

 

 

패턴의 형상이 결정되는 과정인 현상(Develop) 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려가며 노광된 영역과 노광 되지 않은 영역을 선택적으로 제거하는 과정으로 사진을 현상할 때와 동일하다. 웨이퍼는 노광 과정에서 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분으로 구별되는데, 감광액 도포 시 양성 감광액을 뿌렸을 경우 빛을 받은 감광액 부분은 제거되고 빛을 받지 않은 부분은 그대로 남는다. 음성 감광액의 경우는 그 반대의 결과가 된다.

 

 

 

▶현상/씨앤지하이테크

▶도포.현상장비/코디엠

▶고순도카비이드/티씨케이

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4. 식각공정(ETHCHING)

 

 

지금까지는 산화 공정에서 웨이퍼에 먼지가 들어가지 않도록 산화막을 씌어줬고, 포토 공정에서는 회로도판을 만들어주었다.식각(에칭)이란 '부식하여 조각한다'라는 뜻이다.포토 공정을 거친 웨이퍼에 부식액을 뿌려주면 감광제에 덮여있는 산화막 부분은 부식액이 닿지 못하니 아무 일도 일어나지 않는다. 그러나 노출된 산화막 부분은 부식액에 의해 녹게 된다. 그런 후에 감광제를 제거하면 원하는 부분의 회로패턴이 새겨진 웨이퍼를 얻게 되는 것이다. 즉, 부식액(etchant)를 이용해서 필요한 회로를 남기고 나머지는 깎아내는 공정이라고 한다.

 

1) 습식 식각과 건식 식각

식각은 초창기 습식 식각이 사용되었지만 집적도가 VLSI 급으로 높아지면서 플라즈마를 이용한 건식 식각 기술을 사용하는 추세이다.

 

Very Large Scale Integration의 약어로서, 초고밀도집적회로를 말한다.. 소자의 수는 10,000 ~ 1,000,000개까지 이릅니다. 소자의 개수에 따라 SSI, MSI, LSI, ULSI 등이 있으며 70년대 말에 VLSI가 개발됐지만 용어가 기술의 발전 속도를 못 따라가는 이유로 최근에는 소자 수의 상관없이 LSI, VLSI라고 부른다.

SSI(small scale integration) : 소자의 수 100개미만

MSI(medium scale integration) : 소자의 수 100~1000개

LSI(large scale integration) : 소자의 수 1,000~100,000개

VLSI(very large scale integration) : 소자의 수 10만개 이상

 

 

<플라즈마>

 

제4의 물질 상태'라고 부르기도 한다. 기체 상태에 높은 에너지를 가하면 원자 속의 전자가 분리되어 양이온과 음이온의 총 전하수가 같아지게 된 전기적으로 중성을 띄는 상태, 에너지 상태가 보통 기체보다 높기 때문에 반응성이 높아 실리콘이나 글라스 같은 물질을 깎아낼 수 있다.

 

 

	습식식각Wet Etching	건식식각 Dry Etching
방법	화학적	물리적, 화학적, 물리화학적
식각속도	빠르다	느리다
생산성	높다	낮다
미세패턴가공	어렵다	용이하다
비용	비교적 저비용	비교적 고비용
방향성	isotropic	anisotropic

 

 

 

 

▶징비소재/피에스케이,   테스, 에이피티씨, 원익QNC, ,티씨케이

▶건식식각/SK머티리얼즈, 원익머티리얼즈

▶습식식각/솔브레인, 이엔에프테크 놀러지

▶특수가스/케이엔더블유,하나머티리얼즈,SK머티리얼즈,원익머티리얼즈

 

 

 

 

 

5. 박막증착공정(DEPOSION)

 

 

 

 

 

1).이온 주입 공정(ION IMPLANTATION)

 

 

증착 공정 전에 하는 작업으로서, 웨이퍼의 회로 패턴과 연결된 부분에 미세한 가스 입자 형태의 불순물을 주입하여 웨이퍼 내부에 침투한 불순물은 웨이퍼가 전자 소자의 특성을 가지도록 만들어 준다. 즉,전기를 통하게 해주는 공정이다.반도체는 가만히 놓아둔 상태에서는 전기가 통하지 않는 부도체의 성질이지만, 어떤 인공적인 조작을 가해주면 전기가 통하고 조절도 할 수 있는 물질로 변하는 것이다.이 공정은 불순물을 주입해서 전도성의 반도체를 만드는 작업이다. 이때 사용되는 불순물은 붕소(B), 인(P), 비소(As) 등이 있다.

 

 

▶티씨케이, 원익QNC

 

 

 

2).증착(Deposition)은 물리적,화학적 방법을 통해서 웨이퍼에 전기적 특성을 갖는 분자 또는 원자 단위의 물질을 입히는 것을 말하며 이를 박막(Thin film)이라고 한다. 두께가 매우 얇기 때문에 웨이퍼 위에 균일하게 박막을 형성하기 위해서는 정교하고 세밀한 기술력이 필요하다.증착 공정을 통해 형성된 박막은 회로들 간 전기적인 신호를 연결해주는 금속막(전도)층, 내부 연결층을 전기적으로 분리하거나 오염원으로부터 차단시켜주는 절연막층으로 구분된다.

 

 

 

①.물리적 기상 증착 방법(PVD, Physical Vapor Deposition)

 

​물리적 기상 증착 방법은 금속 박막의 증착에 주로 사용되며 화학 반응이 수반되지 않는다. 현재 주로 사용되는 방법이며 사용하는 외부 에너지에 따라 열 CVD, 플라즈마 CVD, 광 CVD로 세분화. 특히 플라즈마 CVD는 저온에서 형성이 가능하고 두께 균일도를 조절할 수 있으며 대량 처리가 가능하다는 장점으로 인해 가장 많이 이용되고 있다.

 

 

​②.화학적 기상 증착 방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)

 

화학적 기상 증착 방법은 가스의 화학 반응으로 형성된 입자들을 외부 에너지가 부여된 수증기 형태로 쏘아 증착 시키는 방법. 도체, 부도체, 반도체 박막 증착에 모두 사용될 수 있다.

 

 

▶ 장비관련주/유진테크, 원익IPS, 주성엔지니어링, 테스

▶ 전구체관련주/디엔에프, 원익머티리얼즈 , 레이크머티리얼즈, 한솔케미칼, 후성, 오션브릿지,워익QNC, SKC솔믹스,월덱스, 미코

 

 

 

 

 

 

 

3). CMP공정/세정

 

웨이퍼를 평평하고 매끄럽게 연마하는 공정

 

▶관련기업/케이씨텍, 제우스, 솔브레인, 한솔케미칼, SK머티리얼즈,원익머티리얼즈, 코미코,아이원스, 원익QNC

 

 

 

 

6. 금속 배선공정

 

​

포토, 식각, 증착, 이온 주입 공정을 반복하여 웨이퍼 위에 수많은 반도체 회로를 생성. 이 회로가 동작하기 위해서는 외부로부터 전기적 신호가 필요하다.금속 배선 공정은 이러한 신호가 잘 전달되도록 반도체 회로 패턴에 따라 전기길(금속선)을 연결하는 작업이다

​

 

​1).금속 배선 또한 증착 공정을 통해 구성. 금속을 진공 챔버에 넣고 낮은 압력에서 끓이거나 전기적 충격을 주어 증기 상태가 되게 함. 이때 웨이퍼를 진공 챔버에 넣으면 얇은 금속막이 형성된다.

​

 

2).대표적인 금속 배선 재료는 알루미늄으로 산화막과의 부착성이 좋고 가공성이 뛰어나다. 그러나 알루미늄은 실리콘과 만나면 서로 섞이려는 성질을 가지고 있기 때문에 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미늄 배선 과정에서 접합면이 파괴될 수도 있다.이러한 현상을 방지하기 위해 알루미늄과 웨이퍼 접합면 사이에 장벽 역할을 하는 베리어 메탈(Barrier Metal)을 증착하여 이중으로 박막을 형성해 접합면이 파괴되는 것을 막는다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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