웨이퍼

3. 제조 방법

실리콘 웨이퍼의 일반적인 제조 방법은 다음과 같다.

• 단결정 성장: 초크랄스키 방법(Cz법)으로 석영 도가니에 다결정 실리콘을 용융시킨 후, 종결정을 담가 회전시키면서 서서히 끌어올려 단결정 잉곳(부울(결정))을 성장시킨다.^[7][55] LSI용 웨이퍼 생산에 주로 사용되나, 도가니에서 산소 불순물이 혼입될 수 있어 전력 소자에는 잘 사용되지 않는다. 플로팅 존법(FZ법)은 산소 농도가 낮고 불순물 분포가 균일하지만, 결정 반경 방향의 저항률 분포 차이가 있어 중성자 조사로 균일하게 만들기도 한다.^[6]

• 외형 연삭 및 방위 가공: 성장된 잉곳의 외주를 연삭하여 직경을 만들고, 결정 방위를 측정하여 방위 플랫(flat) 또는 노치(notch)를 만들어 방향을 표시한다.^[64]

• 절단 및 슬라이싱: 잉곳을 전선톱(wire saw)이나 내주칼날 절단기(ID-Saw|ID-Saw^영어)를 이용하여 얇게 잘라 원형 웨이퍼를 만든다.^[6]

• 베벨링, 랩핑, 에칭: 웨이퍼 가장자리를 둥글게 가공(베벨링)하고, 표면의 요철 제거 및 두께와 형상을 만들기 위해 랩핑을 한다. 랩핑 후 가공 손상이나 거칠기를 제거하기 위해 에칭을 한다.^[11]

• 도너킬러 어닐링, 에지 연마, 연마: 결정 육성 시 석영 도가니에서 융화된 산소 도너를 분해하고 저항값을 안정화시키기 위해 열처리를 한다.^[6] 에지 표면을 CMP 가공으로 매끄럽게 만들고, 화학-기계적 연마(CMP) 가공을 통해 웨이퍼 표면을 경면(거울면) 상태로 만든다.

• 세정 및 검사: RCA 세정을 기본으로 한 세정 방법으로 웨이퍼를 세척한다.^[6] 태양전지의 경우, 효율을 높이기 위해 표면을 거칠게 텍스처링하고, 생성된 PSG(인산규산 유리)는 식각 과정에서 제거된다.^[11]

• 포장: 최종 검사를 통과한 웨이퍼는 특수 용기에 포장되어 출하된다.

3. 1. 단결정 성장

3. 2. 외형 연삭 및 방위 가공

3. 3. 절단 및 슬라이싱

3. 4. 베벨링, 랩핑, 에칭

3. 5. 도너킬러 어닐링, 에지 연마, 연마

3. 6. 세정 및 검사

3. 7. 포장

4. 웨이퍼 종류 및 특성

웨이퍼는 직경이 50mm부터 300mm까지 다양하며, 더 큰 직경의 웨이퍼를 사용하면 1장의 웨이퍼에서 더 많은 집적회로 칩을 생산할 수 있어 생산 단가를 낮출 수 있다. 이러한 이유로 웨이퍼의 직경은 시간이 지남에 따라 점차 커지는 추세이다. 2000년대 초반부터 300mm 실리콘 웨이퍼가 상용화되기 시작하여, 2004년에는 전체 실리콘 웨이퍼 생산량의 약 20%를 차지하게 되었다.^[12][13]

웨이퍼의 두께는 제조 공정 중 웨이퍼를 다루기 쉽도록 0.5mm에서 1mm 사이로 제작된다. 일반적인 실리콘 웨이퍼의 치수는 SEMI(Semiconductor Equipment and Materials International)와 같은 업계 단체에 의해 표준화되어 있다. 예를 들어, 직경 150mm (6인치) 웨이퍼의 두께는 0.625mm, 200mm (8인치) 웨이퍼는 0.725mm, 300mm (12인치) 웨이퍼는 0.775mm이다. 두께 오차는 ±0.025mm(25미크론)로 규정되어 있다.

인텔(Intel), TSMC, 삼성전자(Samsung)와 같은 주요 반도체 기업들은 450mm 웨이퍼 팹 개발을 위한 연구를 진행했지만, 아직 해결해야 할 과제가 남아있다.^[14][15][16]

실리콘 외 다른 재료로 만들어진 웨이퍼는 같은 직경의 실리콘 웨이퍼와 두께가 다르다. 웨이퍼 두께는 사용된 재료의 기계적 강도에 따라 결정되며, 웨이퍼는 취급 중 파손되지 않고 자체 무게를 지탱할 수 있을 만큼 충분히 두꺼워야 한다.

공정 중에 웨이퍼의 방향을 정확하게 맞추기 위해 웨이퍼 주변에는 방향 표시면^[64]이라고 하는 직선 형태의 플랫(flat) 또는 노치라고 하는 절단부가 만들어진다. 웨이퍼는 특정 결정 방위를 따라 절단되며, 도전형과 결정 방위에 따라 방향 표시면의 위치가 결정된다.

4. 1. 종류

• 실리콘 웨이퍼: 전자 산업에서 사용되는 주된 웨이퍼 재료이다.
• SiC(탄화규소) 웨이퍼: 일반적인 웨이퍼 재료이다. ST마이크로일렉트로닉스는 2021년 7월 세계 최초로 200mm 실리콘 카바이드(SiC) 웨이퍼를 발표했다.^[21]
• 사파이어 웨이퍼: LED 제조에 광범위하게 사용된다.^[55]
• 화합물 반도체 웨이퍼: 초크랄스키법으로 생산되는 일반적인 웨이퍼 재료에는 갈륨 비소(GaAs), 갈륨 질화물(GaN), 탄화규소(SiC)가 있다.^[55]
• GaP(인화 갈륨) 웨이퍼
• GaAs(비화 갈륨) 웨이퍼: 2024년 기준으로 상용 생산되는 GaAs 웨이퍼는 크기가 최대 150mm이다.^[22]
• InP(인화 인듐) 웨이퍼
• GaN(질화 갈륨) 웨이퍼: LED 제조에 광범위하게 사용된다.^[55] 인피니온은 2024년 9월 세계 최초의 300mm GaN 웨이퍼를 발표했다.^[20]

4. 2. 결정 방위

4. 3. 불순물 도핑

• N형 반도체: 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb)과 같이 5족 원소를 도핑하여 만든다. 이 원소들은 실리콘보다 전자가 하나 더 많아 자유 전자가 생성되어 전류를 흐르게 한다.
• P형 반도체: 붕소(B)와 같이 3족 원소를 도핑하여 만든다. 이 원소들은 실리콘보다 전자가 하나 적어 양공(hole)이 생성되어 전류를 흐르게 한다.

5. 주요 웨이퍼 제조업체

6. 관련 기술

웨이퍼는 원치 않는 입자를 제거하기 위해 약산으로 세척한다. 실리콘 웨이퍼 표면에 오염이 없도록 하기 위한 여러 표준 세척 절차가 있는데, 가장 효과적인 방법 중 하나는 RCA 세척법이다.^[11] RCA 세정은 RCA에서 개발한 세정 방법을 기본으로 한다.

태양전지에 사용되는 경우, 웨이퍼는 표면적을 늘리고 효율을 높이기 위해 거친 표면을 만들도록 텍스처링된다. 생성된 PSG(인산규산 유리)는 식각 과정에서 웨이퍼 가장자리에서 제거된다.^[11]

• 다이싱
• 에피택시 성장
• 급속 열처리 공정
• RCA 세척

7. 450mm 웨이퍼

450mm 웨이퍼는 300mm 웨이퍼보다 면적이 넓어 생산성을 크게 향상시킬 수 있지만, 높은 투자 비용과 기술적 어려움으로 인해 도입이 지연되고 있다. 450mm 웨이퍼는 300mm 웨이퍼보다 4배 더 비싸고, 관련 장비 비용도 20~50% 증가할 것으로 예상된다.^[30]

2010년대 초반, 인텔, TSMC, 삼성전자 등 주요 반도체 업체들은 450mm 웨이퍼 개발을 추진했다. 뉴욕주에서는 공공-민간 파트너십인 글로벌 450mm 컨소시엄(G450C)을 설립하여 450mm 웨이퍼 제조 기술 개발을 진행했다.^[35][36] 그러나 2017년 G450C는 450mm 웨이퍼 연구 활동을 중단했다.^[38][39][40] 이는 알랭 E. 칼로예로스 SUNY 폴리 최고 경영자에 대한 입찰 담합 혐의 제기와 더불어, 300mm 제조 최적화가 비용이 많이 드는 450mm 전환보다 저렴하다는 업계의 판단 때문으로 보인다.^[40]

2012년에는 450mm 웨이퍼 생산이 2017년에 시작될 것으로 예상되었으나,^[42][43] 실현되지 않았다. 마이크론 테크놀로지 CEO였던 마크 더칸은 450mm 채택이 무기한 연기되거나 중단될 것으로 예상한다고 언급했다.^[44] 2014년 인텔은 2020년까지 450mm 웨이퍼 배치를 예상했지만,^[46] 이후 칩 제조업체들은 450mm 채택을 연기하는 추세이다.^[47]

450mm 웨이퍼 도입의 어려움 중 하나는 자동화 문제이다. 450mm 웨이퍼용 FOUP는 25개 웨이퍼 적재 시 무게가 45kg^[51]에 달해 수동 취급이 불가능하며, 크레인을 이용한 자동화 시스템이 필요하다.^[52] 또한, 450mm 웨이퍼 개발에는 결정 잉곳 무게 증가, 냉각 시간 증가, 공정 시간 증가 등 극복해야 할 기술적 과제가 많다.^[53]

현재 반도체 업계는 450mm 웨이퍼 도입보다는 300mm 웨이퍼 기술 고도화에 집중하는 추세이다.

8. 참고사항

2020년 현재 중국에서는 M1 웨이퍼 크기(156.75mm)가 단계적으로 폐지되고 있으며, 다양한 비표준 웨이퍼 크기가 등장함에 따라 M10 표준(182mm)을 채택하려는 노력이 진행 중이다. 전자 산업에서 사용되는 웨이퍼의 주된 재료는 실리콘이지만, 복합 III-V족 또는 II-VI족 재료도 사용되어 왔다. 초크랄스키법으로 생산되는 갈륨 비소(GaAs)(III-V족 반도체), 갈륨 질화물(GaN) 및 탄화규소(SiC) 또한 일반적인 웨이퍼 재료이며, GaN과 사파이어는 LED 제조에 광범위하게 사용된다.^[55]

참조

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