다들 반도체가 어떤 물건인지는 알아도, 반도체를 무엇으로 만드는지, 어떤 과정들을 거쳐서 반도체가 만들어지는지 생각해 보신 적 있으신가요?
‘산업의 쌀’이라고 불릴 정도로 그 중요성이야 더 말할 필요가 없는 반도체, 그 반도체를 만들 때 필요한 핵심 재료는 무엇일까요? 바로 ‘웨이퍼(Wafer)’입니다. 그럼 웨이퍼는 무엇으로 만드는지, 궁금증이 꼬리를 뭅니다.
이번 편에서는 반도체의 핵심 재료, 웨이퍼의 역할과 제조 과정, 웨이퍼가 반도체로 되는 과정 등에 대해서 이해하기 쉽게, 간단히, 빠르게 설명 드려 보겠습니다!
#‘웨이퍼(Wafer)’란?
사전적 의미의 웨이퍼란 ‘집적 회로를 만들 때 쓰는 직경 5~10cm의 실리콘 단결정의 얇은 판’입니다. 이렇게만 적으면 이해가 안 될 수 있으니 조금 더 쉽게 표현해 볼까요?
#웨이퍼 제조 과정
웨이퍼 제조 과정은 크게 잉곳(Ingot) 제조 -> 잉곳 절단 -> 표면 연마로 이루어집니다.
잉곳 제조 과정부터 먼저 볼까요?
반도체의 원료인 웨이퍼는 대부분 모래에서 추출한 규소로 만들어지고, 규소를 고온에서 녹이면 고순도의 실리콘 액체를 만들 수 있습니다.
※ 반도체란?
모래에서 추출한 규소를 녹여 만든 순수한 실리콘 결정은 전기가 잘 흐르지 않는 성질(전기 전도도가 낮음)을 가지고 있습니다. 이런 특성을 가진 원료를 부도체라고 합니다.
하지만 실리콘에 불순물을 첨가하면 전기 전도도가 높아지게 되어 전기를 임의로 흐르게(도체) 또는 흐르지 않게(부도체) 만들 수 있습니다. 즉 반도체는 전기가 잘 통하는 물질인 ‘도체’와 전기가 통하지 않는 물질인 ‘부도체’의 중간 격으로, 전기가 통하기도 하고 안 통하기도 하는 물질을 말합니다.
이후 ‘시드’라고 불리는 봉 모양의 싱글 크리스탈(단결정)을 고순도의 실리콘 액체에 넣었다가 한 방향으로 돌려가면서 천천히 위로 들어 올려줍니다. 마치 솜사탕을 만들 때 심지를 돌리듯…
고온에서 녹은 고순도의 실리콘 액체가 밖으로, 위로 올라오면서 급격히 온도가 떨어지면서 고체화가 됩니다. 시드를 한 방향으로 돌리면서 위로 들어 올리기 때문에 끝이 뾰족한 원기둥 모양의 ‘잉곳(Ingot)’이 만들어집니다.
이렇게 만들어진 원기둥인 잉곳을 다이아몬드 톱을 이용해 김밥을 썰듯이 절단하면 웨이퍼가 만들어집니다. 이것이 웨이퍼가 둥근 원판 모양인 이유입니다.
잘라낸 직후 웨이퍼의 표면은 아직 거친 상태이기 때문에, 표면을 매끄럽게 하는 ‘표면 연마’ 과정이 필요합니다. 웨이퍼가 매끄러울수록 회로를 정밀하게 만들 수 있기 때문입니다.
또한, 위에서 먼저 설명드렸던 것처럼 이때의 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 ‘부도체’ 상태이기 때문에 ‘반도체’ 성질을 가질 수 있도록 즉, 전기가 흐를 수 있도록 불순물을 첨가하는 작업이 필요합니다.
이 과정을 거치면 웨이퍼는 최종적으로 ‘반도체’의 성질을 갖게 되고, 각종 전자기기에 탑재된 회로를 구성하는 기본 소자인 트랜지스터(Transistor)의 주원료로 쓰이게 됩니다. 필요에 따라 전기를 흐르게 또는 흐르지 않게 제어함으로써 전기적 신호를 전달하고 정보를 기억하게 되는 것입니다.
#웨이퍼가 반도체가 되기 위한 8대 공정
웨이퍼는 반도체가 되기 위해서, 웨이퍼를 제조하는 과정을 포함하여 산화 공정, 포토 공정, 식각 공정, 증착 및 이온 주입 공정, 금속 배선 공정, EDS 공정, 패키징 공정, 총 8개의 공정을 거치게 되는데요. 이러한 공정을 통해 반도체의 성질을 가지게 되고, 낱개로 잘라내고 패키징을 하면 우리가 흔히 일컫는 반도체(반도체 집적회로)가 되는 것이죠! 이것을 8대 공정이라고 부릅니다.
웨이퍼가 반도체가 되는 과정인 8대 공정은 아래를 참고하세요!
* 산화 공정: 먼저 웨이퍼 표면에 산소나 수증기를 뿌려 산화막을 만드는 작업을 진행하는데요. 이 산화막은 앞으로 그려질 회로 사이에 누설 전류가 흐르는 것을 막아주고, 웨이퍼 표면을 보호해 주는 역할을 합니다.
* 포토 공정: 반도체 제조를 위해 웨이퍼 위에 회로를 그려내는 작업이 진행됩니다.
* 식각 공정: 포토 공정에서 그린 웨이퍼 위의 회로를 제외하고 불필요한 부분을 제거하는 작업이 진행됩니다.
* 증착 & 이온 주입 공정: 웨이퍼 위에 포토 공정과 식각 공정을 여러 차례 반복하면서 여러 층의 회로를 쌓은 뒤, 쌓인 회로를 구분하고 보호하는 박막을 웨이퍼 위에 입히고, 반도체가 전기적인 성질을 가지도록 이온 주입 공정을 진행
* 금속 배선 공정: 웨이퍼의 회로 패턴에 따라 전기가 통하도록 만들어주는 공정
* EDS 공정: 전기적 특성 검사를 통해 완성도를 테스트하는 공정
* 패키징 공정: 웨이퍼의 수백 개의 칩을 절단해 낱개의 칩으로 만들고, 칩과 기판을 연결한 뒤 열과 습기 등으로 보호할 수 있도록 밀봉해 우리가 흔히 보는 반도체로 만드는 공정
흔히 뉴스에서 보이던 웨이퍼가 반도체가 되는 과정을 알아보았는데요, 모래에서 추출한 규소가 웨이퍼가 되고 반도체가 되기까지, 이렇게 복잡하고 다양한 공정을 거치게 됩니다. 이렇게 엄청난 노력 끝에 우리 생활을 편리하고 만들어주는 반도체! 앞으로도 반도체 번역기를 통해 다양한 모습들을 소개해 드리겠습니다.
