웨이퍼 제조 공정(Ingot 공정) , Si Wafer 제조 과정.

*목차*

1. 웨이퍼 제조 공정(Ingot 공정) 이란?

2. 실리콘 잉곳(Silicon Ingot) 제조 공정

3. 웨이퍼 제조 공정에서 냉각과 단결정

4. Ingot 공정에서 불순물 제거

1. 웨이퍼 제조 공정(Ingot 공정) 이란

-. 반도체 Chip을 만들기 위해서는 

둥근 원판 모양의 '웨이퍼(Wafer)' 위에 다양한 공정을 거쳐서 만들어져요.

반도체 공정은 Bare Wafer에서 시작하는데

무엇이든 기초가 중요한 것처럼, 반도체 제조 공정에서도 기초가 되는 Wafer의 상태가 중요해요.

'웨이퍼 제조 공정(Ingot 공정)'은 반도체 8대 공정 중 하나로

반도체 제조 공정에 재료인 Wafer를 만드는 공정이에요.

'Ingot(잉곳)'이란 

Wafer를 구성하는 물질로 '성장(Growing)'통해서 만들어진

원기둥 형태의 단결정 물질이에요.

Ingot을 얇게 Slice 하면 얇은 원판 형태의 Wafer가 돼요.

'Ingot 공정'에서 중요한 점은

불순물 없이 순수한 단결정(Single Crystal) Wafer를 만드는 것이에요.

만약 단결정이 아닌 다결정(Poly Crystal) Wafer 위에 회로를 만들 경우

불필요한 방향으로 전류가 흐르게 돼요.

그리고 Wafer에 불순물이 섞여 있으면 해당 영역은 '결함(Defect)'이 되고

회로가 정상 동작하지 않을 수 있어요....

2. 실리콘 잉곳(Silicon Ingot) 제조 공정

-. 일반적으로 반도체 공정에서 주로 사용되는 실리콘 웨이퍼(Si Wafer)를 만드는 과정을 정리해봤어요.

반도체 공정에서 사용되는 Si Wafer는 단결정의 순수한 Silicon으로 이루어져 있어요.

그런데 반도체 공정에 필요한 Si Wafer의 물질 상태는 자연상태에서 존재하기 어러워요...

Si은 자연상태에서 보통 '산화물'로 존재하는데요.

'이산화규소(SiO2)' 상태로 즉, 우리가 흔히 아는 '모래(Sand)'에요

반도체 공정에서 사용되는 Si Wafer는 '모래(SiO2)'를 정제해서 만들어져요.

Si Ingot은 아래와 같은 방법으로 만들어져요.

먼저 '이산화규소(SiO2)'를 '용광로'에 넣고 녹여요.

그리고 '핵'의 역할을 하는 'Seed'를 Si 용액 표면에 찍어서

Si 용액이 하나의 점을 시작으로 '단결정(Single Crystal)'을 생성할 수 있도록 해요.

**여기서 'Seed'는 단결정 실리콘 조각이에요.

그리고 'Seed'를 천천히 회전 시키면서, 천천히 끌어 올려요.

용광로 위쪽으로 올라 갈수록 단계적으로 냉각 되는데요.

Si 용액이 Seed를 따라서 위로 끌려 올라가면서 서서히 냉각 되고

Seed를 중심으로 Si 원자가 결합하면서 '성장(Growing)'해요.

그리고 결과적으로 원기둥 형태의 '잉곳(Ingot)'이 돼요.

성장이 완료된 Silicon Ingot을 'Wire Saw' 공정으로

얇게 Cutting을 하면 원판 형태의 Si Wafer로 만들어져요.

그리고 Wafer 표면을 '연마(Polishing)', '식각(Etching)' 공정을 통해서

Wafer 절단면을 매끄럽게 만들어줘요.

3. 웨이퍼 제조 공정에서 냉각과 단결정

-. Ingot 공정에서 중요한 점은 단결정의 Wafer를 만드는 것이에요.

단결정(Single crystal)을 만들기 위해서는 '냉각 속도'가 중요해요.

액체 상태에서 고체 상태로 변하는 과정을 보았을 때

액체가 냉각되서 고체로 변하는 순간에

액체 속에 '핵'이 생성이 되고, 그 '핵'을 중심으로 원자가 결합하면서 성장을 해요.

(핵 생성 --> 성장) 순으로 고체 상태가 돼요.

그런데 냉각 속도가 빠르면 '다수의 핵'이 생성이 돼요.

각 핵마다 단결정으로 성장을 하고

결과적으로 액체는 '다결정(Poly Crystal)'의 고체 상태가 돼요.

Ingot 공정에서는 Si 용액 속에 다수의 핵이 생성되지 않도록

서서히 냉각 시키면서 성장 시켜야 돼요.

단결정을 만들기 위해서는 Si 용액이 Seed를 따라서 용광로 밖으로 끌려 올라갈 때

급격하게 냉각되지 않도록 위로 올라갈 수록 단계적으로 냉각 시키면서 끌어올려요.

4. Ingot 공정에서 불순물 제거

-. Ingot 공정에서는 불순물 없는 순수한 Wafer를 만드는 것이 중요해요.

용광로 속에 놓아있는 Si 용액에는 Si 뿐만 아니라

불순물도 같이 섞여있어요.

때문에 잉곳을 성장 시킬 때 불순물을 배출하면서 Si만 성장 시켜야 돼요.

잉곳 공정에서 용액의 불순물(Impurity)을 배출하는 방법은

고체(Solid)와 액체(Liquid)의 '용해도(Solubility)' 차이로 불순물이 배출돼요.

Seed를 끌어올릴 때 Si 액체가 고체로 되면서 불순물이 배출돼요.

그런데 너무 빨리 냉각되면서 빨리 고체가 되면

불순물이 배출될 시간이 부족하게 돼요.

때문에 Seed를 서서히 끌어올리면서 천천히 냉각 시키는 것이 중요해요.

**공부하면서 정리했는데 오류가 있으면 댓글로 알려주세요.