스마트폰, TV, 자동차 등 우리가 쓰는 모든 전자제품 안에는 꼭 들어가는 게 있죠. 바로 반도체예요!우리 일상생활에서 이렇게 중요한 역할을 하는 반도체, 과연 어떻게 만들어질까요? 반도체 하나가 완성되기까지는 무려 수십~수백 단계의 미세 공정을 거쳐야 하는데요. 이 가운데 업계에서 특히 중요한 8가지 핵심 단계를 ‘반도체 8대 공정’이라고 부른답니다.
[반도체의 모든 것 – 반도체 공정 시리즈]에서 8대 공정을 차례차례 따라가며, ‘반도체가 어떻게 태어나는지’ 이해하기 쉽게 풀어드릴게요. 오늘 첫 번째 주인공은 반도체의 핵심 토대, 웨이퍼(Wafer) 공정입니다. 준비되셨다면, 웨이퍼의 정의부터 공정 단계까지 같이 살펴보시죠!
▪ 웨이퍼 : 집적회로(IC)를 만들 때 사용하는 직경 50mm~300mm의 단결정 실리콘으로 만든 얇은 판
오늘날 전 세계 IT·첨단 산업의 본거지인 미국 ‘실리콘 밸리(Silicon Valley)’의 이름은 반도체 원재료인 실리콘에서 따왔어요. 실리콘을 가공해 만든 얇은 단결정 판이 바로 ‘웨이퍼(Wafer)’예요. 즉, 실리콘밸리의 이름이 말해주듯 웨이퍼는 반도체 산업의 뿌리이자 제조 공정의 출발점으로서 아주 중요한 역할을 한답니다.
웨이퍼는 반도체 설계가 그려지는 일종의 도화지 같은 역할을 해요. 마치 피자 도우 위에 토핑이 올라가듯, 반도체 회로를 만드는 단계는 웨이퍼라는 기판 위에 미세한 집적회로가 새겨지는 과정이라고 보면 돼요.
그럼, 이제 구체적으로 웨이퍼가 어떤 과정을 통해 만들어지는지 살펴볼까요? 웨이퍼는 크게 세 가지 단계를 거쳐 완성돼요.
- 잉곳(Ingot) 만들기
실리콘을 뜨거운 열로 녹였다가 서서히 식히면 기둥 모양의 단결정이 형성됩니다. 이렇게 만들어진 원통형 덩어리를 잉곳(ingot) 또는 주괴라고 부르는데요, 웨이퍼 제작의 첫걸음은 바로 이 잉곳에서 시작돼요.
잉곳의 모양은 양 끝이 뾰족한 원기둥으로, 목(neck) → 어깨(shoulder) → 몸체(body) → 끝단(end cone) 순으로 구분돼요. 이 중 실제 웨이퍼로 쓰이는 부분은 균일한 결정 구조를 가진 몸체 부분이랍니다.
또한 잉곳의 지름은 곧 웨이퍼의 크기를 결정하는데, 일반적으로 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치)가 쓰입니다. 웨이퍼의 두께가 얇을수록 제조 원가가 줄고, 지름이 클수록 한 번에 생산할 수 있는 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세예요.
- 잉곳 자르기(Ingot Slicing)
원기둥 모양의 잉곳을 원판형 웨이퍼로 만들기 위해서는 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 잘라야 해요. 이 과정을 통해 잘라낸 동그란 판이 바로 ‘웨이퍼(Wafer)’인데요, 깔끔하게 잘린 웨이퍼일수록 이후 공정에서 정밀도가 높아진답니다.
- 웨이퍼 표면 연마(Lapping & Polishing)
다이아몬드 톱으로 잘라낸 웨이퍼는 아직 표면이 거칠고 흠집이 남아 있어요. 이런 상태로는 미세한 회로를 새겨 넣기 어렵기 때문에, 반드시 거울처럼 매끄럽게 가공하는 과정이 필요하죠.
연마액과 전용 장비를 이용해 웨이퍼 두께를 정밀하게 조절하고 표면을 고르게 다듬어 주는데요. 이 과정을 통해 이후 회로 패턴의 정밀도를 확보할 수 있고, 완성된 제품의 불량률도 낮출 수 있어요.
잉곳의 몸체는 성장 과정에서 일부 불순물이 섞이게 되는데요. 따라서 매끈하고 평평한 웨이퍼를 얻기 위해서는 반드시 정제(refining) 과정이 필요하죠. 이때 대표적으로 사용되는 방법이 바로 ‘대역정제법(Zone Refining)’입니다.
대역정제법은 ‘편석(segregation)’이라는 원리를 이용해요. 물질이 액체에서 고체로 변할 때, 불순물이 고체보다 액체에 더 많이 남는 성질을 활용한 방식인데요. 잉곳의 한쪽 끝에서 국부적으로 용융(녹임) 영역(액체의 영역)을 천천히 이동시키면, 불순물들이 액체 쪽으로 몰려 끝단에 모이게 됩니다. 이후, 이 끝부분을 잘라내면 불순물이 제거된 순수한 몸체만 남게 되죠.
이 과정을 여러 번 반복하면 불순물이 점점 줄어들고, 반도체 제조에 적합한 초고순도의 잉곳을 얻을 수 있습니다.
웨이퍼 공정은 반도체 제조의 초석이자 출발점이라 할 수 있어요. 웨이퍼가 얼마나 평탄하고 깨끗한지에 따라, 이후 쌓이는 미세 회로의 정밀도와 안정성이 달라지죠. 결국 반도체의 성능, 수율, 그리고 원가까지도 큰 영향을 준답니다. 웨이퍼가 완성된 이후엔 본격적으로 크게 두 가지의 큰 흐름으로 반도체 제조가 이어져요.
▪ 전공정(FEOL, Front-End of Line) : 웨이퍼 위에 수십 겹의 미세 회로를 정밀하게 쌓아 올리는 단계
▪ 후공정(BEOL, Back-End of Line) : 완성된 칩을 자르고 포장하며, 기능과 품질을 검사하는 단계
다음 [반도체의 모든 것 – 반도체 공정 시리즈]에서는 ‘반도체 전공정(Front-End of Line)’ 단계를 하나씩 뜯어보며, 웨이퍼 위에 실제 회로가 형성되는 과정을 자세히 살펴볼게요. 이 과정을 알면 반도체가 만들어지는 원리를 한층 더 흥미롭게 이해할 수 있을 거예요. 다음 편도 많은 기대 부탁드려요!
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