반도체 / 제조공정 / 관련 회사

반도체

반도체는 핸드폰, 컴퓨터, 텔레비전, 자동차, 의료기기, AI, 통신, 군사, 위성 등 현대 사회생활에 없어서는 안 될 정도로 밀접하게 사용하고 있는데요 반도체가 무엇이며 제조 공정은 어떻게 진행되고 관련 회사는 어디일지 확인해 볼까 합니다. 수박 겉핥기라도 어떤 것인지 조금이라도 더 알고 투자해보려는 의도로 작성해보았습니다.

 

반도체(Semiconductor)의 정의

" 에너지 갭이 약 1eV(전자 볼트) 인 도체도 아니고 절연체도 아닌 물질을 반도체라고 한다. "입니다.전기적으로 통하는 물질(도체)와 통하지 않는 물질(부도체) 중간 사이의 물질 즉 외부적 영향에 의해 전기가 통하게도 하고 안 통하게도 할 수 있는 연산 및 저장 등의 기능을 가진 인간이 만든 물질이라 할 수 있습니다. 

 

반도체의 원료(재료)로는 최외각 전자가 4개인 원자 구조인 실리콘 (SI) , 게르마늄(GE)으로 만들 수 있습니다. 실리콘의 경우 원자재의 비용이 낮고 공정이 비교적 간단한 편이라 일반적으로는 실리콘으로 웨이퍼를 제조합니다. 서로 이웃하는 전자끼리 공유결합해 8개의 최외각 전자를 가진 안정된 상태를 실리콘의 " 진성반도체 "라고 합니다.

 

실리콘, 게르마늄 원자구조/ 진성반도체 결합 구조

진성 반도체

1. 진성반도체에 3가 원소 불순물 붕소를 주입하여 형성시킨 것을 P형 반도체라고 합니다. 여기에 전압을 걸면 전자가 비어있는 정공에 가전자가 점프하여 채워지면서 전류가 흐르게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

P형 반도체_정공

2. 진성반도체에 5가 원소 비소를 주입하여 형성시킨 것을 N형 반도체라고 합니다. 여기에 전압을 가했을 때 자유 전자가 이동하면서 전류가 발생하게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

N형 반도체_자유 전자

P/N 2단 결합하면 다이오드, P/N/P, N/P/N 3단 결합하여 사용하면 트랜지스터라는 부품이 만들어지게 됩니다.

이러한 P형 N형 반도체를 포함한 회로 설계를 통하여 하나의 IC 내에 연산, 저장하고자 하는 집적회로를 기반으로 옮겨 놓은 것이 반도체가 됩니다.

반도체 웨이퍼_삼성반도체 발췌

반도체 제조 공정

반도체 제조 공정은 일반적으로 8개의 공정으로 나누어 집니다.

1. 웨이퍼(Wafer) 제조 공정

2. 산화 공정

3. 포토 공정

4. 식각 공정

5. 증착 & 이온 주입 공정

6. 금속 배선 공정

7. EDS (Electric Die Sorting) 공정

8. 패키징 (Packaging) 공정

 

공정 순서

1. 웨이퍼(Wafer) 제조 공정

설계된 집적 회로를 얇은 둥근 기판 위에 동일하게 나누어 여러 IC를 만들어 대량 생산할 수 있도록 한 최초의 공정입니다. 웨어퍼의 원료가 바로 실리콘이며 웨이퍼는 반도체의 핵심 원료 가 됩니다. 웨이퍼를 만드는 순서는 잉곳 만들기 > 잉곳 절단 > 웨이퍼 표면 연마 > 세척과 검사 순서입니다.

--> 잉곳 (Ingot) : 실리콘(규소)의 재료는 모래입니다. 이것을 가공하기 위해서는 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만도는 정제 과정을 거치게 됩니다. 이 실리콘 용액으로 기둥처럼 만드는 것을 잉곳이라 합니다. (금괴도 말하자면 잉곳이죠)

--> 잉곳 절단 (Wafer slicing) : 원판형으로 절단하는 공정입니다.

--> 웨이퍼 표면 연마 (Lapping & Pollishing) : 거울처럼 매끄럽게 연마액과 연마 장비로 갈아내는 공정입니다.

--> 세척과 검사 : 연마 후 오염물질을 제거하고 검사하는 공정입니다.

 

웨이퍼 제조 공정

2. 산화 공정 (Oxidation)

웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막을 형성시켜 미세한 불순물의 침입을 막아 전기적인 특성에 영향을 받지 않도록 보호막 역할을 하기 위해 산화 공정을 합니다. 이후 진행될 이온 주입공정에서 확산 방지, 식각 공정에서 오식각 방지 역할도 함께 합니다.

 

산화 공정_삼성반도체 발췌

3. 포토 공정 (Photo/Photo Lithography)

본격적으로 웨이퍼 위에 회로를 그려 넣는 작업입니다. 회로 패턴이 담긴 마스크를 웨이퍼 위에 빛을 이용하여 그리는 공정입니다. 사진 인화와 비슷하며 필름이 마스크이고 인화지가 웨이퍼가 되어 빛을 비추어 현상하는 것과 동일합니다. 감광액 도포 > 노광 공정 > 현상 공정 순서입니다.

※ 마스크(Mask) 제작 : 전자 회로 패턴을 설계하고 설계된 회로를 설비를 이용하여 빛을 쬐어 유리판 위에 마스크 제작을 합니다.

--> 감광액 도포 : 빛에 민감한 감광액을 웨이퍼에 도포합니다.

--> 노광 공정 : 마스크의 회로를 빛을 통과하여 웨이퍼에 회로 패턴을 그려 넣은 과정입니다.

 

노광 공정_삼성반도체 발췌

--> 현상 공정 : 웨이퍼 위에 현상액을 뿌리면서 양성 감광액, 음성 감광액으로 선택적 남기거나 제거하여 회로 패턴을 형성하는 공정입니다.

 

4. 식각 공정 (Etching)

웨이퍼에 액체 또는 기체의 부식액을 이용하여 불필요한 부분을 선택적으로 제거한 후 회로 패턴을 만들어 주는 공정입니다. 건식 식각(플라스마 식각)과 습식 식각이 있으며 나노 단위의 고집적화 기술에 의해 선폭이 미세하게 설계되고 있기 때문에 비용이 비싸고 까다롭지만 건식 식각 방법을 많이 이용하고 있습니다. 

 

5. 증착(Deposition) & 이온 주입 공정

증착 공정은 회로 간의 구분과 연결, 보허 역할을 하는 박막(Thin Film)을 만드는 과정입니다. 증착공정을 통해 형성된 박막은 회로들 간 전기적인 신호를 연결해주는 금속막과 내부 연결층을 분리 해거나 오염원으로부터 차단시켜주는 절연막층으로 구분됩니다. 

 

반도체 증착

이온주입 공정은 반도체의 전기적인 특성을 갖도록 만드는 과정입니다. 실리콘 기판(웨이퍼)에 이온주입기로 가스 입자 형태의 불순물을 내부에 침투시켜 P형 또는 N형의 특성을 만드는 과정입니다. 

6. 금속 배선 공정

기판 위에 많은 소자들을 전기가 잘 통하는 알루미늄, 티타늄, 텅스텐 등의 금속 배선을 회로 패턴에 따라 깔아주는 공정입니다. 연결되지 않아야 할 배선들은 절연(전기가 통하지 않도록) 도 함께 해줍니다.

금속 배선 공정_삼성반도체 발췌

7. EDS (Electricl Die Sorting) 공정

전기적 특성검사를 통하여 칩들의 품질 수준에 미치는지 프로브카드로 확인하여 양품/불량품을 선별하는 공정입니다. 

※ EDS 공정 시 적용하게 되는 프로브카드는 반도체의 작동 유무를 검사하는 장비입니다.

 

8. 패키징 (Packaging) 공정

웨이퍼 절단 > 칩 접착 > 금선 연결 > 성형 공정의 순서대로 진행하고 최종 테스트 후 쉽게 볼 수 있는 반도체의 형태가 완성됩니다. 

패키징 반도체 형태_삼성반도체 발췌

반도체 관련 업체

반도체 관련 업체들은 전공정 / 후공정으로 나누어지는데요 전공정은 웨이퍼에 회로를 만드는 과정이라 볼 수 있고 후공정은 웨이퍼에 만들어진 칩들을 자르고 외부와 연결할 금속 선을 연결하고 패키징 하는 과정이라 볼 수 있습니다. 

 

1. 전공정 업체

솔브레인, 원익머트리얼즈, 동진쎄미켐 등이 있습니다.

2. 후공정 업체

심텍, 마이크로컨텍솔, 한미반도체, 이오테크닉스, 유니테스트, SFA반도체 등이 대표적으로 있습니다. 

3. 웨이퍼 수탁 생산 및 판매를 담당하는 파운드리 사업

DB 그룹 계열의 주로 소규모 저가 IC의 파운드리 생산 전문 기업 DB하이텍도 있습니다.   

 

4. 원자재 가공 및 제품 테스트를 위한 업체 

티에스이 : 후공정 웨이퍼 테스트를 위한 프로브 카드 생산, 반도체 및 디스플레이 검사장비 제조, 판매 업체입니다.

윌덱스 : 반도체 애칭 공정에 사용되는 반도체용 장비 재료 실리콘, 석영(쿼츠), 알루미나를 생산하는 업체입니다.

SKC 솔믹스 : 실리콘, 석영(쿼츠), 알루미나로 만드는 반도체 공정용 부품 사업을 주력으로 하는 업체입니다. 

3S : 반도체 웨이퍼 캐리어 박스와 냉난방 환경시험 설비 업체입니다.

 

반도체 이미지

어렴풋이 학교에서 배웠던 내용이고 실무경험은 전무하지만 한 때 이 업종을 고민한 적이 있어 삼성반도체 생산 공정을 참고하여 작성해보았습니다. 지금은 관련 업체들 주식 종목 실적에 더 관심이 가긴 합니다.. 알고 있는 범위 내에서 최대한 비전공자가 이해하도록 노력했지만 워낙 광범위하고 세부적인 분야 또한 깊이가 있어 어려울 수도 있을 듯합니다... 부족하지만 궁금했던 정보에 대한 도움이 되었으면 합니다..