본질적으로 반도체 제조는 순수한 실리콘 웨이퍼 위에 수십억 개의 전자 스위치로 이루어진 미세한 도시를 건설하는 과정입니다. 이는 단일 작업이 아니라 수백 가지의 개별 단계로 이루어진 고도로 제어된 순서이며, 크게 네 가지 주요 단계로 나뉩니다: 실리콘 웨이퍼 생성, 웨이퍼에 회로 제작(전공정), 회로 연결(후공정), 그리고 마지막으로 완성된 칩 테스트 및 패키징. 각 단계는 현대 산업 전체에서 가장 까다로운 수준의 정밀도를 요구합니다.
핵심 개념은 칩 제조가 추가 및 제거 공정의 반복적인 주기라는 것입니다. 때로는 원자 두께에 불과한 재료 층이 실리콘 웨이퍼 위에 정교하게 증착되고, 빛을 사용하여 패턴화된 다음, 선택적으로 식각되어 현대 집적 회로를 구성하는 수십억 개의 트랜지스터를 점진적으로 형성합니다.
모래에서 실리콘까지: 웨이퍼 생성
회로가 만들어지기 전에 기반이 완벽해야 합니다. 이 기반은 거의 완벽하고 초고순도의 실리콘 디스크인 웨이퍼입니다.
원료: 폴리실리콘
이 과정은 석영 모래(이산화규소)로 시작되며, 이를 가열하고 정제하여 야금 등급 실리콘을 생산합니다. 이것은 다시 전자 등급 폴리실리콘으로 정제되며, 99.9999999% 순도의 재료입니다. 이러한 극도의 순도는 필수적입니다. 왜냐하면 아주 작은 불순물이라도 칩의 전기적 특성을 망칠 수 있기 때문입니다.
잉곳 성장
이 폴리실리콘은 도가니에서 녹여집니다. 작은 씨앗 결정이 용융된 실리콘에 담겨 회전하면서 천천히 위로 당겨집니다. 당겨지면서 용융된 실리콘은 냉각되고 응고되어 씨앗의 결정 구조를 따릅니다. 이것은 잉곳 또는 "부울"이라고 불리는 크고 단결정 원통을 생성하며, 길이가 2미터 이상이고 무게가 수백 킬로그램에 달할 수 있습니다.
슬라이싱 및 연마
원통형 잉곳은 다이아몬드 톱을 사용하여 매우 얇은 디스크로 슬라이싱됩니다. 웨이퍼라고 불리는 이 원시 디스크는 거울처럼 매끄럽고 결함 없는 표면으로 연마됩니다. 일반적인 웨이퍼는 두께가 1밀리미터 미만이지만 완벽하게 평평해야 합니다.
칩 제조의 핵심: 전공정 (FEOL)
이곳에서 트랜지스터, 즉 칩의 기본적인 온/오프 스위치가 실리콘 웨이퍼 표면에 직접 제작됩니다. 이는 네 가지 주요 공정의 반복적인 주기를 통해 이루어집니다.
1단계: 포토리소그래피 (청사진)
포토리소그래피는 칩 제조에서 가장 중요한 단일 단계입니다. 포토레지스트라고 불리는 감광성 재료 층이 웨이퍼에 코팅됩니다. 회로의 한 층에 대한 청사진을 담고 있는 스텐실 역할을 하는 마스크가 웨이퍼 위에 위치합니다. 특정 파장의 빛(종종 심자외선 또는 DUV/EUV)이 마스크를 통해 투사되어 노출된 포토레지스트의 화학 구조를 변경합니다.
2단계: 식각 (패턴 조각)
웨이퍼는 그 후 부드러워진 포토레지스트를 제거하는 화학 물질 또는 플라즈마에 노출됩니다. 이것은 경화된 포토레지스트의 패턴화된 층을 남겨 웨이퍼의 일부 영역을 보호하고 다른 영역을 노출시킵니다. 식각 공정에서는 가스(건식 식각) 또는 액체(습식 식각)를 사용하여 노출된 영역에서 재료를 제거하여 기본 층에 회로 패턴을 새깁니다.
3단계: 증착 (새로운 층 추가)
식각 후, 새로운 재료 층이 웨이퍼에 추가됩니다. 화학 기상 증착(CVD)은 가스가 반응하여 웨이퍼에 고체 필름을 형성하는 공정으로, 절연(유전체) 층을 만드는 데 사용됩니다. 물리 기상 증착(PVD) 또는 스퍼터링은 이온으로 타겟 재료를 충격하여 원자를 떨어뜨리고, 이 원자들이 웨이퍼에 증착되며, 종종 금속 층에 사용됩니다.
4단계: 도핑 (전도성 변경)
트랜지스터가 작동하려면 실리콘 자체의 전기적 특성을 변경해야 합니다. 이는 이온 주입을 통해 이루어지며, 고에너지 입자 가속기가 특정 이온(붕소 또는 인과 같은)을 실리콘 웨이퍼에 주입하는 공정입니다. 이 "도핑"은 트랜지스터가 켜지고 꺼지도록 하는 N형(음형) 및 P형(양형) 영역을 생성합니다.
이 리소그래피, 식각, 증착 및 도핑 주기는 현대 트랜지스터의 복잡한 3차원 구조를 만들기 위해 수백 번 반복됩니다.
트랜지스터 연결: 후공정 (BEOL)
FEOL 단계에서 수십억 개의 트랜지스터가 형성되면, 이들을 서로 연결해야 합니다. 인터커넥트라고 불리는 이 "배선"은 트랜지스터 위에 구축된 구리 또는 알루미늄 경로의 조밀한 다층 그리드입니다.
금속화 공정
BEOL 공정은 FEOL과 매우 유사하지만, 트랜지스터 대신 전도성 경로를 만드는 데 중점을 둡니다. 절연 재료 층이 증착된 다음, 리소그래피 및 식각을 사용하여 와이어가 들어갈 트렌치와 비아(수직 연결)를 만듭니다.
배선 층 구축
이 트렌치는 다마신이라는 공정을 통해 구리로 채워집니다. 표면의 과도한 구리는 연마되어 제거되어, 구리 배선이 박힌 완벽하게 평평한 층을 남깁니다. 이 과정은 모든 개별 트랜지스터를 기능하는 회로로 연결하는 10-20개의 배선 층으로 이루어진 복잡한 "고속도로 시스템"을 구축하기 위해 반복됩니다.
절충과 도전 과제 이해
반도체 제조 공정은 극심한 도전 과제로 정의됩니다. 성공은 이러한 도전 과제를 극복하는 능력으로 측정됩니다.
청결의 폭정
현대 트랜지스터는 너무 작아서 먼지 한 조각이 거대한 바위처럼 보이며, 회로를 단락시키고 전체 칩을 파괴할 수 있습니다. 이것이 칩이 수술실보다 수천 배 더 깨끗한 시설인 클린룸에서 만들어지는 이유입니다. 작업자들은 오염을 방지하기 위해 머리부터 발끝까지 "버니 슈트"를 착용해야 합니다.
더 작은 노드의 추구
산업의 발전은 트랜지스터를 더 작게 만드는 것에 의해 주도되며, 이는 무어의 법칙으로 설명됩니다. 이러한 "공정 노드"(예: 7nm, 5nm)는 칩의 특징 규모를 나타냅니다. 특징이 줄어들면서 양자 터널링과 같은 물리적 도전 과제(전자가 절연체를 통해 누설되는 현상)가 중요해지며, 새로운 재료와 트랜지스터 설계(예: FinFET)가 필요합니다.
수율: 성공의 궁극적인 척도
수율은 웨이퍼당 작동하는 칩의 비율입니다. 공정에 수백 단계가 있기 때문에 어떤 단계에서든 작은 오류가 결함을 만들 수 있습니다. 90%의 수율은 높아 보이지만, 이는 엄청나게 비싼 생산량의 10%가 쓸모없다는 것을 의미합니다. 수율을 1-2%만 개선해도 수백만 달러의 추가 수익을 얻을 수 있습니다.
칩 완성: 조립 및 테스트
수백 단계를 거친 후, 웨이퍼는 수백 또는 수천 개의 개별 칩, 즉 다이를 포함합니다.
웨이퍼 테스트 및 다이싱
먼저, 자동화된 프로브가 웨이퍼의 각 개별 다이를 테스트하여 작동하는 다이를 식별합니다. 그런 다음 웨이퍼는 다이싱이라는 공정을 통해 다이아몬드 톱으로 개별 다이로 절단됩니다.
패키징 및 최종 테스트
작동하는 다이는 패키징을 위해 보내집니다. 작고 깨지기 쉬운 실리콘 다이는 기판에 장착되고 보호용 플라스틱 또는 세라믹 하우징에 캡슐화됩니다. 이 패키지는 칩을 외부 세계와 연결하는 금속 핀 또는 패드를 제공합니다. 패키징 후, 칩은 출하되기 전에 최종적이고 엄격한 테스트를 거칩니다.
이 공정이 중요한 이유
칩 제조의 기본을 이해하는 것은 전체 기술 환경에 대한 중요한 맥락을 제공합니다.
- 주요 초점이 엔지니어링 또는 연구인 경우: 리소그래피, 식각, 증착 및 도핑의 반복적인 주기가 모든 현대 전자기기의 근본적인 구성 요소임을 인식하십시오.
- 주요 초점이 비즈니스 또는 투자인 경우: 수율, 제조 공장(팹)의 막대한 자본 비용, 그리고 더 작은 공정 노드를 향한 끊임없는 경쟁이 시장 경쟁과 공급망 역학의 주요 동인임을 이해하십시오.
- 주요 초점이 일반적인 기술인 경우: 손에 들고 있는 스마트폰이나 클라우드에서 실행되는 서버가 인류가 개발한 가장 복잡하고 정밀하며 값비싼 제조 공정 중 하나라는 점을 높이 평가하십시오.
궁극적으로 디지털 세계는 영리한 소프트웨어뿐만 아니라 거의 상상할 수 없는 규모의 응용 물리학 및 제조 정밀도의 물리적 기반 위에 구축됩니다.
요약표:
| 단계 | 주요 공정 | 목적 |
|---|---|---|
| 웨이퍼 생성 | 결정 성장 및 연마 | 초고순도 실리콘 기반 생성 |
| 전공정 (FEOL) | 포토리소그래피, 식각, 증착, 도핑 | 수십억 개의 트랜지스터 구축 |
| 후공정 (BEOL) | 금속화 및 다마신 공정 | 금속 층으로 트랜지스터 연결 |
| 조립 및 테스트 | 다이싱, 패키징, 최종 테스트 | 개별 칩 사용 준비 |
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