현대사회의 모든 산업에 쓰이고 있는 반도체의 생산 과정을 정리해보고 그 중에서도 핵심 단계인 반도체 8대 공정에 대하여 정리하여 반도체 투자의 방향성을 찾고 각 분야 산업의 이해를 돕고자 각 공정을 정리 분석하고자 한다.
반도체 8대 공정 이란
반도체 8대 공정이란 말 그대로 반도체가 완성되기까지 거치는 수백 번의 과정을 크게 8개의 공정으로 구분한 것이다.
아래의 모식도는 삼성전자와 sk하이닉스의 뉴스룸에서 가져왔다. 삼성전자의 뉴스룸 모식도는 8대 공정을 알아보기 편하게 모식화 했지만, 실제 반도체 제작과정을 이해하기 위해서는 SK하이닉스의 모식도가 좋은 예시인 듯 하다.
반도체는 웨이퍼 제조회사에서 제작된 웨이퍼를 가져와 반도체 제조공장(흔히 팹(fab)이라고 하며, 삼성전자, SK하이닉스, TSMC등이 있다.)에서 ‘산화공정 -> 포토공정 -> 식각 -> 증착,이온주입 -> 금속배선공정, 연마(CMP)공정’을 수백번 반복하여 반도체 칩을 설계에 따라 생산하게 된다.
팹(fap)에서 생산된 칩을 테스트와 외부 환경으로부터 보호하고 전기적으로 연결해주는 패키징 공정을 거쳐 반도체는 완성된다.
흔히들 산화공정 ~ 금속배선공정 까지를 전공정이라하고, 패키징, 테스트 공정을 후공정이라 부른다.(sk하이닉스 뉴스룸 모식도 참조)
스마트폰, 자율자동차, AI 인공지능 등의 발전으로 반도체는 더 고도화 세분화 되면서 후공정 부분이 더욱 중요하게 두각 되었다.
1. 웨이퍼 제조 공정
반도체를 만들기 위한 기반인 웨이퍼는 모래에서 추출된 순수 실리콘을 단결정 기둥 형태로 만들어(잉곳) 적당한 두께로 얇게 썰어 만드는데요, 웨이퍼의 지름에 따라 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치) 등의 웨이퍼를 생산합니다.
웨이퍼는 두께가 얇고, 지름이 클수록 제조원가가 줄어들며 반도체 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇아지고 커지는 추세이다.
2. 산화 공정
생산된 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태이다. 필요할 때 전기가 흐르고 작동할 수 있도록 도체와 부도체의 성격을 모두 가진 반도체의 성질을 가질수 있도록 웨이퍼 위에 여러 가지 물질을 형성시키고 설계된 회로 모양대로 깍고, 다시 물질을 입혀 깍아내는 일을 반복하게 되는데,
8대 공정의 가장 기초적인 단계가 산화공정이다.
산화공정은 반도체를 만드는 과정속에서 여러작업을 거치면서 회로가 생기는데 회로와 회로사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단하기 위한 보호막 역할을 한다고 생각하면 된다.
반도체 8대 공정 과정을 거치는 동안 산화막은 이온주입공정에서 확산 방지막 역할을 하고, 식각공정에서는 식각방지막 역할 등도 한다.
산화공정에선 순수한 산소를 사용하는 ‘건식 산화’와 수증기를 사용하는 ‘습식 산화’로 나뉘어집니다.
3. 포토공정
포토공정은 쉽게 말해 반도체 회로를 그려 넣는 과정이라고 보면 된다. 웨이퍼 위에 도포한 산화막 위에 감광액(PR)을 도포하고, 회로도가 그려진 마스크를 위에 올려 빛을 통과시키면, 사진의 인화 작업처럼 웨이퍼 표면에 마스크에 그려진 회로도가 그대로 찍혀 나오게 된다.
포토공정은 감광액 도포(Coating), 노광(Expouser), 현상(Development)과정으로 이루어진다.
4. 식각 공정
식각공정은 웨이퍼에 그려넣은 회로를 제외하고 필요없는 부분을 제거하는 공정이다. 에칭 공정이라고도 하며, 액체를 사용하는 ‘습식 식각’과 가스와 플라즈마를 이용하는 ‘건식 식각’으로 구분됩니다.
5. 증착, 이온주입 공정
반도체는 미세한 수많은 층을 쌓아 올라가는 복잡한 과정을 거치는데, 웨이퍼 위에 포토공정과 식각공정을 여러차례 반복하면서 층층이 레이어를 쌓아나가는 과정이다.
이 때 층층이 쌓는 회로와 회로를 구분하기 위해 절연막이 필요한데 이걸 ‘박막’이라고 부르며 이 박막을 입히는 과정이 증착이며, 이 박막과정이 끝나면 이온을 주입시켜 반도체가 전기적 성질을 가지게 한다.
6. 금속배선 공정
금속배선공정은 전기적 신호가 통하는 길을 만들어 주는 과정이다. 배선 재료로는 알루미늄과 구리가 사용되고 있다.
포토, 식각, 증착, 이온주입 과정을 반복하면서 만들어진 수많은 회로가 외부 전기적 신호에 따라 잘 작동 할 수 있도록 전기길(금속선)을 연결하는 작업이라고 보면된다.
7. EDS 공정(테스트 공정)
삼성전자 뉴스룸에서 말하는 EDS(테스트)공정은 웨이퍼 완성 단계에서 불량품을 선별하기 위한 테스트 과정이며, 일반적으로 반도체 제조 과정에서 이루어지는 테스트 공정은, 웨이퍼 단계에서 이루어지는 EDS공정, 조립공정에서 이루어지는 패키징테스트공정. 제품 출하전 소비자 관점에서 실시되는 품질 테스트 등이 있다.
8. 패키징 공정
반도체 8대 공정중 마지막인 패키징 공정은 웨이퍼에서 칩을 낱개로 잘라내고, 칩이 ‘적합한 기기에 탑재되기 좋은 형태로 만들어주는’ 과정을 말한다.
이상 반도체 생산의 핵심 요소인 반도체 8대 공정에 대해 정리해 보았다. 각각의 공정의 중요한 기술과 관련 회사들에 대해서는 따로 정리해보도록 할 예정이다.
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