Silicon Wafers

실리콘은 회색의 깨어지기 쉬운 비금속성의 4족 원소로서 지구상 물질의 27.8%를 차지하는 자연계에서 산소다음으로 가장 풍부한 원소 중 하나입니다. 이 실리콘은 석영, 마노,부싯돌, 해변가 모래 등 다양한 물질들에 포함되어 있습니다. 실리콘은 반도체 칩이 만들어지는데 사용되는 주요 반도체 원재료입니다. 실리콘 그 자체는 전기 전도성이 거의 없지만 정량의 도판트를 첨가할 경우 원하는 비저항을 얻을 수 있는 장점이 있습니다. 실리콘의 이러한 특성과 쉽게 구할 수 있다는 점에서 오늘날 반도체 원료로 가장 널리 쓰이고 있습니다.

반도체 칩을 만들기 위해서는 먼저 추출된 실리콘을 얇은 판 모양의 웨이퍼 상태로 만들어야 합니다. 이 과정은 먼저 실리콘 잉곳(ingot)을 만드는 것으로 시작됩니다. 잉곳은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘으로 구성될 수 있습니다. 단결정 실리콘은 원자들이 일정한 방향으로 정렬되어 물질 전체에 걸쳐 단단하게 결합된 것을 말합니다. 다결정 실리콘은 여러 단결정들이 방향성 없이 무질서하게 배열된 것으로 반도체용으로는 사용할 수 없습니다. 반도체 생산에 이용되는 웨이퍼 제조를 위해서 다결정 실리콘은 반드시 단결정 실리콘으로 용융되어야 합니다.

웨이퍼 제조 과정

실리콘 성장 공정은 크기, 품질 그리고 규격 등에 따라 일주일에서 한달까지 소요됩니다. 모든 단결정 웨이퍼 중 약 75% 이상이 쵸크랄스키(CZ) 방법으로 생산되고 있는데 CZ 방법은 순수한 다결정 실리콘 덩어리들을 사용합니다. 이 실리콘 덩어리들은 석영 도가니에 담긴 후 소량의 3족 또는 5족 원소(도판트라고 불림)의 첨가를 통하여 원하는 전기적 특성을 실리콘 잉곳에 부여하게 됩니다. 가장 보편적으로 사용되는 도판트는 보론, 인, 비소, 안티몬 등이며 어느 도판트를 사용하느냐에 따라 성장 후 잉곳은 P-Type 또는 N-Type이 됩니다. (보론: P-Type / 인, 비소, 안티몬: N-Type)

폴리실리콘은 석영도가니 안에서 녹는점인 섭씨 1420도 이상으로 가열되어 용융되게 되며 일단 폴리실리콘과 도판트가 모두 녹아 액상이 된 후 원하는 결정 방향과 동일한 결정 방향을 가진 단결정 seed(종자) 를 용융액 표면 가운데 부분에 접촉시킵니다. 실리콘 내에서 균일한 도판트의 확산을 얻기 위하여 seed와 석영도가니는 서로 반대 방향으로 회전하게 되며 결정 성장에 필요한 조건들이 준비되게 되면 이 seed를 조금씩 들어올리면서 성장 공정을 시작하게 됩니다. 성장 공정은 결정내 결함을 최소화시키기 위하여 초반에는 빠른 속도로 seed를 인상하게 되며 이후 원하는 지름을 얻기 위하여 다시 느린 속도로 조정이 됩니다. 일단 원하는 지름을 얻기 위한 조건이 충족된 후에는 이 지름을 유지하기 위하여 일정한 인상 속도로 진행을 하게 됩니다. seed가 용융액 위로 인상이 됨에 따라 seed와 용융액 표면 사이에는 표면 장력이 발생하게 되어 얇은 실리콘 막들이 seed 표면으로 지속적으로 달라붙게 되며 동시에 냉각이 되게 됩니다. 표면에서 냉각이 되는 동안 용융액속의 실리콘 원자들은 seed와 동일한 방향의 결정 방향성을 가지게 됩니다.

성장 공정이 끝난 후 잉곳은 최종 제품의 직경보다 약간 큰 직경으로 표면 그라인딩을 실시하게 되며 이때 결정 방향성을 알 수 있도록 노치(notch) 또는 플랫(flat)을 만들게 됩니다. 몇 단계의 검사 공정을 거쳐 이 잉곳들은 절단(slicing) 공정에 의해 비로서 웨이퍼의 형태를 가지게 됩니다. 실리콘은 표면 경도가 매우 높은 물질로서 이것을 절단하기 위해서는 다이아몬드가 필요하며 원하는 두께보다 약간 두껍게 절단을 실시합니다. 또한 요즘에는 다이아몬드를 사용한 절단방식에서 보다 발전한 Wire를 이용한 절단 방식도 사용되고 있습니다. 기존의 다이아몬드를 사용한 Blade Type의 절단 방식에 비하여 수율향상, 두께 편차(TTV), Bow/Warp 등의 휘어짐 정도 감소등의 장점이 있습니다.

일단 절단된 웨이퍼는 테두리를 둥글게 연마하는 에지 그라인딩(edge grinding) 공정을 거치게 됩니다. 이 공정은 남은 웨이퍼 생산 공정과 반도체 디바이스 제조 공정시 웨이퍼의 깨짐 현상을 훨씬 줄이는 역할을 하게 됩니다. 또한 이후에 실시되는 에지 폴리싱(edge polishing) 공정은 전체적인 청정도와 깨짐 현상 방지 능력을 최대 400%까지 향상시키게 됩니다.

그 다음 공정은 래핑(lapping) 공정으로서 웨이퍼 앞뒤 표면의 톱니자국(saw mark) 및 defect를 제거하게 됩니다. 또한 웨이퍼 두께를 적정수준까지 얇아지도록 연마하는 동시에 절단 공정에서 발생한 응력을 제거하는 역할도 하게 됩니다.

래핑 공정이 끝난 후 웨이퍼는 에칭 및 세정 공정으로 이동하게 됩니다. 에칭(etching) 공정은 염산, 질산,아세트산 등이 혼합된 혼산(Mixed Etchant)을 이용하여 래핑에 의해 발생한 표면의 미세한 갈라짐이나 결함을 제거합니다.

그 다음 단계는 웨이퍼 제조에서 가장 중요한 공정인 경면 연마(polishing) 공정입니다. 이 공정은 매우 청정도가 높은 생산라인에서 이루어지게 됩니다. 클린룸이란 먼지등의 파티클(particle) 수가 엄격히 제한된 곳으로, 클린룸의 청정도 수준은 Class 1에서 Class 10,000까지 등급이 매겨질 수 있습니다. 이 숫자는 단위 제곱피트당의 파티클 수를 나타내며 이 파티클의 크기는 육안으로는 측정이 불가능한 매우 작은 사이즈로서 보통의 거실이나 사무실같이 청정도가 관리되지 않는 지역의 파티클 수준은 단위 제곱 피트당 약 5백만개입니다. 이러한 높은 수준의 청정도를 유지하기 위하여 현장의 작업자들은 먼지들이 달라붙거나 모이는 현상을 방지하도록 특별히 제작된 방진복을 항상 착용하여야 하며 현장에 들어가기전 별도의 Air Shower 공정을 통하여 모든 먼지를 제거하여야 합니다.

대부분의 프라임 등급 웨이퍼는 미세한 사이즈의 슬러리나 연마제를 사용하는 2~3단계의 폴리싱 공정을 거치게 됩니다. 양면 연마 공정을 적용하는 300mm 제품을 제외한 다른 웨이퍼들은 앞면만 폴리싱 공정을 실시하게 되며 이 공정을 거친 웨이퍼는 해당 면에 거울 형태의 경면을 가지게 됩니다. 반도체 공정에서 디바이스를 제작은 경면 위에서 이루어지므로 이 면은 반드시 미세한 표면 결함 및 잔여 데미지가 모두 제거되어 있어야 합니다.

먼저 에지 폴리싱 공정을 거친 후, 웨이퍼는 크게 2단계의 폴링싱 공정을 거치게 되는데 첫번째 공정이 Stock Removal 공정, 두번째 공정이 Final 폴리싱 공정입니다. 양 공정 모두 폴리싱 패드와 슬러리를 사용하며 Stock Removal 공정은 표면 결함을 모두 제거하기 위하여 얇은 막 두께 정도의 실리콘을 제거하게 되며, Final 폴리싱 공정은 헤이즈(haze)나 다른 잔여물을 제거하기 위하여 사용됩니다.

폴리싱 공정 이후 웨이퍼는 매우 복잡하고 긴 배쓰(bath)의 연속 공정인 최종 세정 공정에 들어갑니다. 이 공정은 표면의 파티클, 금속 오염물 및 잔여물들을 제거하며 이 공정후 더욱 작은 사이즈의 파티클을 제거하기 위하여 종종 Backside Scrub 공정이 적용되기도 합니다.

세정 공정이 끝난 후 웨이퍼는 고객들의 규격에 따라 높은 조도의 빛(Intensity light) 또는 레이저 스캔 장비 등을 이용하여 규격에 벗어나는 모든 종류의 파티클 및 결함을 찾아내는 검사 공정을 거친 후 분류되게 됩니다. 이러한 엄격한 일련의 검사 공정을 거친 후 완제품이 된 웨이퍼들은 카세트에 담긴 후 테이프로 밀봉됩니다. 이후 진공 포장된 플라스틱 백에 담긴 후 외부 파티클, 습기등이 들어가지 못하도록 다시 한번 호일로 포장된 후 출하되게 됩니다.

어플리케이션

완성된 실리콘 웨이퍼는 머리카락 굵기의 100분의 일 밖에 되지 않는 아주 미세한 트랜지스터를 수백만개 형성하게 되는 식각(etch) 공정을 거쳐 반도체 칩으로 완성됩니다. 이 반도체들은 전하 흐름의 조절을 통하여 말, 숫자, 영상 및 색깔 등의 데이터를 관리할 수 있으며 직접적으로는 전세계의 모든 집적 회로 제조 회사에 의하여 간접적으로는 지구상의 모든 사람들에 의하여 사용되고 있습니다. 반도체가 사용된 어플리케이션으로는 TV, 컴퓨터, 통신기기 등의 범용 제품들뿐만 아니라 전자파 송신장비, 레이저 스위칭 시스템, 의학용 진단/치료 기기, 군사용 장비 그리고 우주선 등에까지 다양하게 사용되고 있습니다.

Prime Grade Silicon Wafer | Patterned Silicon Wafers | Polished Silicon Wafers | Reclaimed Silicon Wafer