실리콘 웨이퍼는 현대 전자공학의 핵심입니다. 모든 마이크로프로세서, 메모리 칩, 센서, 집적 회로는 초고순도 실리콘 웨이퍼에서 시작됩니다. 이 글에서는 원자재를 결함 없는 광택 실리콘 웨이퍼로 변환하여 칩 제조에 적합한 상태로 만드는 주요 단계를 살펴봅니다.

원료 및 정제

이 여정은 종종 고순도 석영이나 모래에서 추출되는 실리카(이산화규소, SiO₂)에서 시작됩니다. 미량의 불순물이라도 반도체 성능을 저하시키기 때문에, 원시 SiO₂를 정제하여 원소 실리콘으로 환원해야 합니다.

환원은 일반적으로 전기로에서 수행되는데, 여기서 SiO₂가 고온(1500~2000°C 정도)에서 탄소와 반응하여 야금 등급(mg)의 실리콘을 생성합니다.

다음으로, 야금 등급 실리콘은 염화수소와 반응하여 트리클로로실란(sihcl₃)과 같은 화학적 전구체로 전환됩니다. 이 과정에서 불순물이 분리됩니다. 정제된 증기는 (증착 반응기에서) 분해되어 종종 10억 분의 1 미만의 불순물 수준을 갖는 초순도 다결정 실리콘(폴리실리콘)을 형성합니다.

결정 성장(잉곳 형성)

고순도 폴리실리콘을 손에 넣으면 다음 단계는 단결정 잉곳(불이라고도 함)을 성장시키는 것입니다. 가장 일반적인 방법은 초크랄스키(cz) 공정입니다.

• 작은 단결정 씨앗을 석영 도가니에 담긴 용융 폴리실리콘에 담근다.

• 씨앗은 천천히 들어올려지고 회전하는 반면, 도가니와 씨앗은 반대 방향으로 회전합니다. 이로 인해 용융물이 씨앗 주위에서 응고되어 동일한 격자 방향을 가진 원통형 결정이 됩니다.

• 균일한 직경과 도펀트 분포를 유지하기 위해 당김 속도, 온도 구배, 회전 속도가 주의 깊게 제어됩니다.

• 웨이퍼 사양에 따라 일부 도핑 원소(붕소나 인 등)를 용융물에 첨가하여 p형 또는 n형 실리콘을 생산할 수 있습니다.

반면, 저항률이 매우 높거나 특수한 응용 분야의 경우 플로트 존(fz) 방법을 사용하면 불순물이 훨씬 적은 실리콘을 생산할 수 있지만, 더 큰 직경에서는 생산이 더 어렵습니다.

주괴가 성장하면 캡핑을 하고, 끝부분을 다듬고 연삭하여 불규칙성을 제거합니다. 방향 평면이나 노치를 참조 표시로 형성할 수도 있습니다.

웨이퍼 슬라이싱 및 성형

그런 다음 다이아몬드 와이어 톱이나 내경 톱을 사용하여 잉곳을 얇은 웨이퍼로 자릅니다. 다중 와이어 톱은 처리량을 개선하고 실리콘 손실(커프)을 줄이기 위해 요즘 자주 사용됩니다.

슬라이싱 후 웨이퍼는 아직 준비가 되지 않았습니다. 기계적 손상, 톱 자국, 표면 결함 등이 있어서 제거해야 합니다.

래핑, 에칭 및 연마

슬라이스된 웨이퍼를 사용 가능한 품질로 만들기 위해 다음 단계가 적용됩니다.

• 래핑 / 연삭: 웨이퍼는 두께 균일성, 평탄도 및 평행도를 개선하기 위해 연마 슬러리로 분쇄됩니다.

• 화학적 에칭: 슬라이싱 및 연삭으로 인해 손상된 표면 층은 습식 화학 에칭(hf, hno₃, 아세트산 또는 koh의 혼합물 사용)을 통해 제거되고, 손상된 결정과 잔여 이물질이 세척됩니다.

• 화학-기계적 연마(cmp): 이 최종 연마 단계에서는 거울과 같은 매우 평평한 표면이 생성됩니다. cmp는 기계적 마모와 화학 슬러리를 조합하여 나노미터 단위의 재료를 제거하여 이후의 포토리소그래피 단계에 필요한 매끄러운 표면을 생성합니다.

연마 후 웨이퍼를 깊숙이 세척하여 입자, 유기 잔류물, 이온 오염 물질을 제거합니다. 세척에는 RCA 세척(수산화암모늄, 과산화수소, 염산), 오존 또는 기타 고급 세척 방법을 사용할 수 있습니다.

검사, 측정 및 분류

품질 관리가 중요합니다. 웨이퍼는 다음을 포함한 세부적인 검사 및 계측을 거칩니다.

• 평탄도, 두께 및 평행도

• 표면 결함 감지(긁힘, 구멍, 입자)

• 표면 반사율

• 전기 저항률, 캐리어 수명 또는 도펀트 농도

• 결정 방향 및 웨이퍼 정렬(평면 또는 노치를 통해)

엄격한 사양을 충족하는 웨이퍼만이 장치 제조에 허용됩니다.

웨이퍼 백그라인딩/세닝(선택 사항)

많은 전자 장치에서 전체 장치 높이를 줄이거나 스태킹을 가능하게 하기 위해 더 얇은 웨이퍼가 바람직합니다. 백그라인딩(또는 후면 연삭)은 뒷면에서 웨이퍼를 얇게 만드는 데 사용됩니다. 이 단계에서 웨이퍼는 종종 접착 테이프로 보호되어 손상이나 오염을 방지합니다.

웨이퍼가 얇아지면 추가 가공을 거치거나 광석판 인쇄로 진행할 수 있습니다.

웨이퍼 제조를 통한 장치 제작(개요)

빈 실리콘 웨이퍼는 단지 시작 "기판"일 뿐입니다. 진정한 마법은 회로가 층층이 쌓이는 웨이퍼 제조(또는 프런트엔드) 공정에서 시작됩니다. 주요 기술은 다음과 같습니다.

• 포토리소그래피: 웨이퍼에 포토레지스트를 코팅하고, 마스크를 통해 노출시키고, 작은 회로 기능을 패터닝합니다.

• 에칭: 습식 또는 건식 에칭제를 사용하여 노출된 영역의 재료를 선택적으로 제거합니다.

• 증착(CVD, ALD, PVD): 절연성, 전도성 또는 유전체 필름을 증착합니다.

• 도핑/이온 주입: 불순물을 도입하여 p형 또는 n형 영역을 생성합니다.

• 산화: 산소나 증기 속에서 가열하여 절연 산화물 층을 형성합니다.

• 금속화: 금속층(알루미늄, 구리, 텅스텐)을 증착하여 장치를 상호 연결합니다.

• 평탄화(cmp): 다음 레이어를 추가하기 전에 각 레이어가 평평한지 확인합니다.

이러한 단계는 여러 계층을 반복하여 완전한 통합 회로를 구축합니다.

제조 후 웨이퍼는 전기적으로 테스트되고, 개별 칩으로 잘리고, 패키징되고, 최종 장치로 조립됩니다.

품질, 순도, 수율의 중요성

현대의 집적 회로는 극도로 민감하기 때문에 원자 규모의 결함이나 불순물조차도 기능을 망칠 수 있습니다. 따라서 웨이퍼 생산 체인의 모든 단계는 매우 깨끗하고 엄격하게 관리되는 조건에서 수행됩니다. 높은 수율(웨이퍼당 작동하는 칩의 비율)은 비용 효율성에 매우 중요합니다.

더 큰 웨이퍼 직경(200mm, 300mm, 심지어 450mm)은 웨이퍼당 더 많은 칩을 허용하지만 웨이퍼 전체의 균일성을 유지하기 위해 더 엄격한 제어가 필요합니다.

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