Si원료 제조공정

반도체 제조공정은 크게 

1. Si원료 제조공정

2. 웨이퍼 공정

3. IC조립 및 검사 

로 나누어진다. 이번편에서는 Si원료 제조공정, 즉 웨이퍼가공 과정을 알아본다.

 

규소를 웨이퍼로 만들기 위해서는 먼저 규석(SiO2)을 환원시켜 금속 Si를 얻어낸다. 이때 SiO2는 큰 힘으로 결합하고 있어서 방대한 에너지가 필요하다. 

 

이러한 금속 Si를 미세한 가루로 분쇄하여 염산에 녹이고 이를 증류하고 정제하여 높은 순도로 만든다. 

 

Si+3HCl -> HSiCl3 + H2

 

이후 금속 반응로 내에 설치한 여러 개의 작은 다결정 Si심을 1000도로 가열하고 여기에 정제된 trichlorosilane 증기와 수소를 혼합한 가스를 흘리면 Si 심 표면에 고품위 다결정 Si가 생성된다. 이때 생성되는 사염화규소(SiCl4)는 수소와 회수되어 재이용한다. 과정을 요약해서 기입하였지만 이 반응에서 온도와 가스의 혼합비, 유량등은 엄밀히 제어해야 한다.

 

다결정은 다시 단결정 Si로 만들게 되는데, 단결정 Si를 만들기 위해서 다결정 Si를 분쇄하고 CZ법(쵸크랄스키법, Czochralski method), 혹은 FZ법(float-zone method)을 이용한다.

 

CZ법은 고순도 다결정을 만드는 방법이다. Si를 분쇄하여 세척한 뒤 이를 가열한 석영 도가니에 넣어 녹인 후 미량의 도전성 불순물을 필요한 만큼 넣는다. 이 Si 용액에 단결정 Si 심을 접촉시켜 서서히 회전하면서 끌어올리며 단결정을 성장한다. 이 작업은 비활성기체인 Ar 가스 속에서 이루어진다. 다만 도가니의 재질과 접촉하기 때문에 FZ법에 비해 oxygen contamination이 크다는 결점이 있다. 이는 Sony에서 1980년에 개발한 MCZ법으로 개선가능한데, 이는 도가니에 자장을 가해서 산소의 혼입을 억제하는 방법이다.

 

FZ법은 Ar 가스 속에서 다결정 Si를 직접가열이 아닌 유도가열로 용융하고 표면장력을 유지하면서 Si 단결정을 성장시키는 방법이다. 불순물은 고체보다 액체에 모이는 성질이 있어서 고주파로 가열한 원형봉을 다결정 Si 봉의 위에서부터 아래로 서서히 내려 보내면 아래에는 순도가 높은 단결정 봉이 생성된다.

 

FZ법은 CZ법에 비하여 oxygen contamination이 적다는 장점이 있지만 웨이퍼를 크게 만드는 대구경화가 어렵고 저항률 분포가 불균일하기 때문에 이를 해결하는 과정을 거쳐야 한다.

 

이렇게 생성된 단결정 Si봉은 ingot이라고 불린다. 먼저 이 ingot을 상하양단의 불필요한 부분을 제거하고, 원통상의 부분을 몇 개의 block으로 절단한다.

그리고 외주를 연삭하여 웨이퍼 사이즈를 맞춘 다음에 IC제조공정에서 웨이퍼를 장치나 기구에 loading할 때 정확하게 장착할 수 있도록 oriented flat 또는 notch를 설치한다. 

 

이후 block을 지지대에 고정하여 blade saw를 이용하거나 wire saw를 이용하여 1매씩 잘라준다. wire saw를 이용하면 잘라낸 자국을 좁게 할 수 있고 한꺼번에 많은 웨이퍼를 자를 수 있지만 작동비용이 비싸다는 것이 단점이다.

 

이는 웨이퍼의 측면에 모가 나지 않고 결정 결함을 제거하기 위하여 Beveling 공정을 거치고난 뒤 연마제를 이용하여 웨이퍼의 표면의 평활도(매끄러운 정도)가 2um 이하가 되도록 lapping 가공한다.

 

lapping 이후 웨이퍼를 턴테이블에 올려놓고 표면을 기계적, 화학적으로 연마하여 광택을 내게 되는데, 이러한 연마공정에는 wafer의 한 면만 가공하는 편면가공과 양면을 모두 가공하는 양면가공 두 가지 방법이 있다. 최근에는 IC 미세화에 대응하기 위하여 점차 양면 연마가 증가하고 있다. 이와 더불어 추가적으로 질소나 수소 환경에서 열처리를 해주면 표면에 완전한 결정층을 갖도록 할 수 있다.

이 작업을 마치고 나면 웨이퍼는 직경, 두께, orientation flat/notch의 위치와 정밀도, 저항률, 평탄도 등에서 다양한 검사를 마친 뒤 세정 후 출하하게 된다. 이렇게 만든 웨이퍼를 prime wafer라고 한다.