2025.7.15~16
1학기가 끝나고, 우리과에서 따로 하고있는 특강같은 교육과정이나 대회공고가 없어서 학교에서 실시하는 반도체 공정실습 교육을 방학동안 하게 되었다. 실습에 들어가기 이전에, 사전교육을 6월 30일에 받았는데, 이날 진짜 말도안되게 더운 여름이었는데 에어컨 너무 안틀어줘서 땀이 계속 났음;; 암튼 이날에는 나처럼 전자/전기공학과 처럼 과가 연관되어있지 않더라도 들을 수 있는 과정이었기 때문에, 처음 듣는 사람들에게는 정말 자세하고 양질의 교육으로 반도체 공정과정이 어떻게 진행되는지 알려주셨다. 솔직히 말해서 전자공학과에서 이렇게 반도체를 제조하는 과정이 전공인 로봇기구학이나 이런데 도움이 될까 생각했었는데 사람 일 정말 어떻게 될 지 모르는거고 어쩌다가 이런 지식들이 또 도움들이 될 수 있기 때문에, 다른 분야 같아도 최대한 배우려는 생각에 이 과정을 듣게 되었다. 고등학교 물리1에서 배우는 에너지 준위에 따라 원자에 띠가 생기고 전자가 이동하는 이런것들부터 처음보는 각종 공식들 등등이 있었는데, 아래 글에는 내가 정확하게 알게 된 것들만 정리해서 넣어 보겠다.
<기본 개념>
진공도의 차이가 만들어내는 결과들이 있다. 고진공일수록 장점들이 극대화 되고,
이는 정말 직관적인 물리학의 관점에서 이해할 수 있는 이유들이다.
1. 압력이 낮아지면 기화점이 낮아져 알루미늄 또는 금속을 저온에서 기화시킬 수 있다. 에너지를 덜 가해도 된다.
2. 저온에서 플라즈마를 만들기 쉽다. 1번의 이유와 동일.
3. 높은 진공일수록 공간 안에 각종 기체 분자가 없는 상태이고, 이는 입자가 기화되어 웨이퍼에 닿기까지의 과정을 만들기 위해 진행하는 금속 원자가 질소나 산소 등 다른 원자와 부딛힐 확률을 줄여 빠르게 웨이퍼에 도달하도록 할 수 있다. 즉 과도한 열(에너지)를 가할 필요가 없는 것이다.
4. 3번과 동일한 이유로, 기타 원자들이 적게 떠다니게 된다는 것은, 불순물이 섞일 확률이 줄어든다는 의미이다.
클린룸의 조건과 개념
클린룸은 반도체 공정의 핵심적인 요인이며 이 안에는 여러 세부적인 디테일들이 있다.
실내에서는 온습도, 압력, 진동, 소음 등 다양한 요소가 항상 지켜져야 하고, 실외에는 환기를 할 수 있는 장치와 각종 화학적 오폐수를 처리할 수 있어야 한다.
청정도는 미세먼지가 반도체 공정에서는 중요한 부분이고 아래 사진에 있는 것처럼 공기부피 1ft³내에 0.5㎛ 먼지가 얼마나 있는가를 기준으로 하고 있으며, 이 먼지 개수가 적을수록 당연히 좋은 것이다.
예를 들면, C1은 공기부피 1ft³내에 0.5㎛ 먼지가 1개 있다는 의미이다. 보통 웨이퍼 공정에서는 C1~C10 정도의 슈퍼 클린룸을 사용한다고 한다.
<반도체 8대공정>
| Wafer(웨이퍼) 공정 | Oxidation(산화) 공정 | Photo Lithography(포토) 공정 | Etching(식각) 공정 | Deposition(증착) 공정 | Metallization(배선) 공정 | EDS, Electrical Die Sorting(선별) 공정 | Packaging 공정 |
Wafer(웨이퍼 제작) 공정은 말 그대로 반도체를 제조하기 전, 제작하고싶은 회로를 그려넣을 도화지같은 준비물인 실리콘을 모래에서 추출한 실리콘을 가공해서 얇은 원판으로 제조하는 것이다.
이건 이 글을 쓰면서 찾아서 알게 된 사실인데, 실리콘 웨이퍼가 통상 얇은 원판 모양으로 만들어지는 이유는
대부분의 웨이퍼는 '초크랄스키 공법'이라는 방식으로 만들어지는데, 이건 실리콘 용액에 작은 종자 결정(Seed)를 담궈 이를 빙글빙글 돌리면서 서서히 위로 끌어올리는 방식을 말한다. 이때 회전하는 힘(원심력)과 액체의 표면장력 덕분에 실리콘이 고르게 굳으며 자연스럽게 원통형의 기둥(ingot, 잉곳) 모양으로 성장하게 된다.
초크랄스키 공법으로 인해 실리콘 웨이퍼는 회전하면서 잉곳을 회전하며 뽑아내기 때문에, 열이 360도 방향으로 고르게 분산되어 결정화되어 생성되며, 회전 과정에서 불순물은 중심부에 같히지 않고 바깥으로 빠져나가도록 도와준다.
이로 인해서 후에 있을 과정에서는 웨이퍼를 고속으로 회전시키고, 고온의 열을 가하는 공정들이 많은데, 원형으로 제작했기 때문에 응력이 모서리에 집중되지 않고 분산되는 현상이 생겨 웨이퍼가 파손될 위험이 줄어들 수 있다.
다음은 Oxidation(산화)공정이다.
실리콘 웨이퍼가 산화 공정에 들어가기 전, 이물질을 제거해야 하는데, 이 세척방법이 순서대로 두가지 있다.
Organic(유기) 세척: 아세톤(100%) - IPA (IsoPropyl Alcohol, 이소프로필 알코올) - D.I. water(Deionized Water, 초순수) - blow(에어건 건조)
Acid(산) 세척: BOE(Buffered Oxide Etchant, 완충산화물 식각액) - D.I. water (Deionized Water, 초순수) - blow (에어건 건조)
위 과정으로 세척이 진행이 된다. 위 과정을 진행할 때, 트위저라는 집게로 웨이퍼에서 사용되지 않을 부분을 살살 집어서 세척을 진행 했으며, 트위저로 웨이퍼를 잘 잡아야 불량이 잘 안생긴다.
(반도체 공정 실습으로 갔고, 실습을 체험 비슷한 느낌으로 했기 때문에 "ASML, TSMC같은 기업체에서는 이걸 로봇팔이나 기계장치로 정확하고 신속하게 하겠구나" 라는 생각이 들었다. 우리과 공부 참 열심히 해야 겠구나 생각이 들었다.)
여기서 각종 궁금증이 생길 수 있는데, 알아낸 것만 말해보자면
Q: 유기세척을 먼저 하는 이유가 있나?
A: 보통 유기물이 기름 성분이라 소수성을 띄고, 산 세척액(BOE)는 수용성이라 산-유기 세척 순서로 하면 물이 기름에 둥둥 뜨는 것처럼 산 세척액이 소수성을 띄는 물질을 먼저 없애주지 못해, 소수성 유기물 막이 다음 단계인 산화 과정에서의반응성이 많이 떨어지기 때문이다. 소수성인 유기물을 먼저 없애고, 수용성인 산화막 또는 타 금속을 제거해 줘야 본격적인 산화 반응을 잘 일으켜 줄 수 있기 때문이다.
이렇게 유기 세척까지 마치면 순수한 실리콘(Si)만이 남게 되고, 실리콘 원자에 산 세척을 할때 산성을 띄는 수소원자(H)가 결합(Si-H)되고 이렇게 실리콘에 수소 원자를 덮어 산화 및 오염을 방지하는 것을 수소 종단(Hydrogen Passivation)이라고 한다. Si-H 결합은 비극성 분자이고, 물(H2O)는 극성 분자이기 때문에, 산 세척을 마친 웨이퍼는 소수성을 띄게 된다.
이렇게 일련의 세척 과정이 끝나고 나면 진짜 산화 공정을 하게 된다.
산화 공정이란 Si를 SiO2로 바꿔 웨이퍼 위에 산화막을 형성시켜 절연성을 높이고 화학적으로 안정시켜, 이후 만들어질 회로 간 누설 전류가 흐르는 것을 막고, 식각 공정에서 필요한 부분이 깎이는 것을 방지해준다.
산화 공정은 크게 건식 산화, 습식 산화로 나뉜다.
건식 산화: 산소만을 이용해 산화. 산화막의 질이 습식보다 좋다.
습식 산화: 산소와 수증기를 이용해 산화. 동일 시간과 온도에서 건식보다 두꺼운 산화막을 생성하며 빠르다는 장점이 있다.
그럼 여기서 궁금증이 생길 것이다.
아니, Si-H로 보호막 만들었다매. 갑자기 SiO2 는 어떻게 되는거야?
>> 습식 산화라면, H2O(수증기 가스)와 O2(산소 가스)를 만나게 해서 Si-H + H2O(가스) + O2(가스) → SiO2 + H2로 진행된다.
건식 산화라면, 800~1200도의 고온 전기로, 비교적 결합이 약한 Si-H 결합이 끊어지면서 H는 수소 기체로 날아가고, Si는 불안정한 상태가 되며, 챔버에서 나오는 산소가스(O2)와 결합하면서 SiO2가 된다.
다음은 Photo Lithography, 포토 공정이다.
포토 공정은 웨이퍼 위에 감광액(PR)을 바르고 마스크(회로모양의)를 이용해 노광시켜서 회로 패턴을 그리는 공정이다.
포토 공정도 여러가지 종류가 있는데, PR 종류, 광원 파장, 노광 방식에 따라 다르며 그 차이는 아래와 같다.
* PR(Photoresist, 감광액) : 빛에 민감하게 반응하는 물질. 특정 파장의 빛을 가해주면 물리적/화학적 반응에 의해 성질이 달라진다.
PR 종류
Positive PR : 빛을 받은 부분이 현상액에 녹아 없어진다. 해상도가 좋아 미세 공정에 유리하다.
Negative PR : 빛을 받지 않은 부분이 모두 날아가고 남은 것이 현상(Development, 노광된 영역만 남는)된다..
노광 방식에 따른 분류
Mask Aligner : 마스크와 웨이퍼를 직접 접촉하거나 근접시켜서 노광
Stepper : 마스크의 패턴을 렌즈로 축소하여 웨이퍼를 한개씩 노광
Scanner : stepper의 발전된 형태로, 마스크와 웨이퍼를 동시에에 움직이며 스캔 방식으로 노광
광원 파장 종류(기억이 안나는건지 처음보는 느낌이더라)
자외선(UV) 리소그래피: g-line, i-line
심자외선(DUV) 리소그래피: KrF, ArF (액침 기술 포함) 등
극자외선(EUV) 리소그래피: 파장이 매우 짧아 초미세 패턴 구현 가능.
X-ray 리소그래피
나는 여기서 negative PR, mask aligner 방식을 사용했다.
Negative PR 과정
1.웨이퍼에 PR용액을 떨어뜨리고 3000RPM으로 30초 돌린다.
*스포이드로 끈적한 PR용액을 도포할 때 기포없이 도포해줘야 한다.
2.핫플레이트에 90도로 80초 soft bake 한다. 수분을 제거한다. 이때 PR의 접착력 향상.
3.노광기에 52.4초 노광시켜준다. Negative PR은 노광 부위가 경화된다.(회로 패턴이 아닌 곳)
4.핫플레이트에 110도로 60초 post exposure bake 해준다. PR을 경화시켜주고 안정화시켜준다.
5.현상용액에 담궈준다. 보통 염기성 용액이다.
6.3분동안 D.I. water로 3분동안 세척해준다.
7.에어건으로 건조시킨다(Blow)
보통 7번 에어건 블로우에서 불량이 많이 생긴다고 연구원분이 말씀해주셨다.(불순물이 달라붙고 초순수를 다 날리지 못하는 실수때문)
내가 노광시킨 회로형상은 커패시터였고, 랩에 있었던 노광기는 최소 단위가 1~2㎛ 정도였다.
노광되는동안 잠시 기다리면서 연구원분이 노광기에 대한 설명을 해주셨는데, 전세계 노광기에서 압도적으로 잘 만드는 회사가 ASML이라는 기업이 있다고 했는데, 거의 독점수준이라 삼성전자뿐만 아니라 엔비디아, TSMC에서도 이 회사에 의존한다고 말씀해주셨다. 전자공학과에서는 ASML 취업희망하는 사람도 있다고 했다. 근데 난 일단 주식창에 ASML먼저 검색해봤음 ㅋㅋ
다음은 Etching, 식각 공정이다.
식각 공정은 웨이퍼 위에 증착된 박막의 특정 부분을 물리적,화학적 방법을 통해 선택적으로 제거하여 원하는 회로 패턴을 구현하는 핵심 과정이다. 포토 공정을 통해 형성된 PR부분을 마스크로 사용하여 마스크로 보호되지 않는 영역의 박막을 정밀하게 깎아낸다. 반도체 소자의 집적도가 기하급수적으로 증가함에 따라, 식각 공정은 단순히 박막을 제거하는 것을 넘어 나노미터 스케일에서 패턴의 폭과 높이, 그리고 수직도를 제어하는 3차원 구조 형성 기술로 발전되고 있다.
식각 공정도 종류가 있는데
습식 식각: 화학 용액에 웨이퍼를 담가 순숳한 화학 반응만으로 박막을 제거하는 전통적인 방식.
건식 식각: 진공 챔버 내에서 반응성 가스를 플라즈마 상태로 만들어 이온의 물리적 충돌과 radical의 화학적 반응을 복합적으로 이용해 박막을 제거하는 방식이다. 현대의 모든 미세 공정은 건식 식각 기술에 기반한다.
Deposition(증착) 공정 (이 과정부터 사진 찍음)
증착 공정은 반도체에 필요한 전기적 특성(절연체/도체)을 갖추기 위해 웨이퍼 위에 박막을 형성하게 된다. 반도체 칩 내에서 전기적 신호를 빠른 신호로 처리하려면 막 두께를 얇고 균일하게, 시간이 흘러도 오래 버틸 수 있도록 만들어져야 한다.
나는 e-beam evaporator 장비를 사용했고(PVD,Physical Vapor Deposition, 물리적 기상 증착), 이 장비는 아래 도가니에 증착시킬 전극물질(Ti, 티타늄)을 넣고, 내부를 고진공으로 만든다음, 텅스텐 필라멘트에서 e-beam을 발생시켜 자기장으로 Ti을 증발시켜서 기체로 만든 다음, 둥근 돔모양 웨이퍼 고정기를 회전시켜서 내부에 달려있는 웨이퍼에 균일하게 증착시키게 된다. 증착률은 전류를 조절하여 A˚/s 단위로 정밀 제어한다.
* A˚(옹스트롬)은 원자 수준의 크기를 논할때 쓰는 단위이며, 1A˚ = 0.1nm(나노미터)이다.
내가 만든 반도체 소자는 Negative PR을 해서 회로 패턴(커패시터)을 그린 다음, 티타늄을 증착했다. 이렇게 되면 레이어가 밑에서부터 Si - Negative PR - Ti 가 되는데, 여기서 주목해야 할 점은, 웨이퍼에 직접 증착된 티타늄과 PR에 증착된 티타늄은 접착력에 차이가 있다는 점이다. PR위 증착된 티타늄이 결합력이 더 약하기 때문에 물리력으로 lift off 한다.
그 다음, 유기용매인 아세톤을 활용하여 유기물인 PR을 제거한다. 이때 완벽히 제거하지 못한 PR위의 티타늄도 제거한다.
현재 상태는 Negative PR과 그 위에 있던 티타늄이 다 제거되고, 커패시터 패턴 부분에만 티타늄이 증착 되어 있는 상태이다. (아래 사진 참고)
이를 현미경으로 보면
이런 느낌이다.
이게 이제 두께가 얼마나 되는지 Alpha step(표면 단차 측정기)를 활용해 증착된 티타늄의 두께를 측정한다
약 2100Å(210nm) 인 것을 확인했다.
이것으로 이 공정실습에서 경험한 것들은 마무리가 되었다.
여기서 사진들을 보면서 "왜 이렇게들 노랗지?" 라는 생각이 들 수도 있는데, 다 이유가 있어서다.
노광장비를 이용하면서, 필요한 파장의 빛만 사용해야 포토 공정의 불량률이 줄어드는데, 간섭이 없는 최대한 긴 파장의 조명을 이용해야 하다보니 적외선에 가까운 가시광선을 써야 하는데, 그렇다고 빨간색 조명을 쓰면 눈이 아프니까 그다음으로 파장이 긴 노란 조명을 이용하게 된 것이다. 사진이 노란건 정상이다.
후기
아무튼 간에 사전교육까지 총 3일간의 클린룸 공정실습이 끝이 났다. 클린룸 안은 항상 일정한 온도를 유지해야 해서, 에어컨을 가동하지 못하는 탓에 실험복 안에서 땀이 좀 났다. 이걸 직업으로 하거나 중환자실 방역복이나 소방복 같은 걸 직업으로 입으시는 분들은 정말 어지간한 체력이 아니고서야 오래 할 수가 없다. 진짜 존경심이 나오는 체험이었다.
반도체 공정 실습 덕분에 관련이 거의 없었던 분야의 신기한 체험을 해보게 해준 나라 지원금에 감사한다. 이런 특강이 학교에서는 매 해마다 진행이 되긴 하지만, 흔치 않은 기회라고 생각한다. 어떤 분야라도 발을 좀 걸쳐놔야 적어도 아는척이라도 해서 성공한 가짜의 삶이라도 살 수 있지 않을까. 이런 특강이면 다른것도 시간날때 들어보고 싶다.