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1. 반도체 제조 공정
1.1. 웨이퍼 제조
웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 자른 원판이다. 웨이퍼 제조 공정은 다음과 같다.
실리콘 원료(Poly Silicon)를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고, 이를 결정 성장시켜 굳히는 과정을 통해 단결정의 Si 잉곳을 얻는다. 반도체용 잉곳은 실리콘 잉곳 중에서도 초고순도의 잉곳을 사용한다.
잉곳 표면을 다듬은 후 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 자르는 작업을 거쳐 웨이퍼의 크기를 결정한다. 웨이퍼가 얇을수록 제조원가가 하락하고, 지름이 클수록 생산 가능한 반도체 수가 증가한다.
표면의 흠결과 거칠기를 제어하기 위해 연마핵과 연마 장비를 이용해 웨이퍼 표면을 매끄럽게 갈아낸다. 이후 화학 용액으로 물리적 가공에 의한 데미지를 제거하는 식각 공정을 진행한다.
짧은 시간 열을 가해 웨이퍼 내부의 결함을 균일하게 만들고 금속 불순물을 억제하는 RTP(Rapid Thermal Process) 공정도 수행한다.
마지막으로 웨이퍼의 세부 형상과 평탄도 등 품질을 세밀하게 측정하고, 표면 결함의 크기와 개수를 레이저 산란 방식으로 측정하는 Cleaning Inspection과 Particle Counting 공정을 거친다.
이와 같은 일련의 웨이퍼 제조 공정을 통해 최종적으로 고순도의 단결정 실리콘 웨이퍼를 생산한다.
1.2. 산화 공정
웨이퍼 표면에 산화막을 형성하는 산화 공정은 반도체 제조에 있어 매우 중요한 공정이다. 산화 공정에서는 웨이퍼 표면을 외부 오염물질로부터 보호하기 위해 산소 또는 수증기를 웨이퍼 표면에 공급하여 절연막 역할을 하는 산화막(SiO2)을 형성한다. 이 산화막은 회로 사이의 누설전류를 차단하고, 식각 공정 시 잘못된 식각을 방지하는 역할을 한다.
산화 공정은 주로 열처리를 통해 이뤄지며, 크게 습식 산화와 건식 산화로 나뉜다. 습식 산화는 산화제로 물(H2O)을 사용하며, 다음과 같은 반응식으로 이루어진다.
Si(s) + 2H2O(g) → SiO2(s) + 2H2(g)
습식 산화의 경우 산소(O)의 확산도와 용해도가 높아 산화막 성장 속도가 빠르고 막 두께가 두꺼워지는 경향이 있다. 하지만 이에 따라 산화막의 밀도가 낮아 품질이 상대적으로 떨어진다.
반면 건식 산화는 산화제로 산소(O2)만을 사용하며, 다음과 같은 반응식으로 진행된다.
Si(s) + O2(g) → SiO2(s)
건식 산화의 경우 산화 속도가 느리지만 산화막 품질이 습식 산화에 비해 우수하다. 또한 결정 구조에 따라 (111) 면이 (100) 면보다 빠르게 성장하는 특성이 있다.
산화 공정 후에는 Wafer Cleaning 공정을 수행하여 웨이퍼 표면의 유기물, 금속 불순물 등을 제거한다. 이 때 산화막인 SiO2를 HF로 제거하는데, 이는 Si 자체가 대기 중에서도 산화되어 품질이 떨어지는 얇은 산화막이 생성되기 때문이다.
산화막은 반도체 소자간의 분리 및 절연, MOSFET의 게이트 절연막, 마스크 층 등 다양한 용도로 사용된다. 따라서 미세공정 기술 발전에 맞춰 얇으면서도 우수한 절연 성능을 갖는 산화막 형성 기술이 중요하다.
1.3. 포토리소그래피
1.3.1. PR 코팅
웨이퍼 표면에 감광성 고분자 물질인 포토레지스트(Photoresist, PR)를 얇게 도포하는 공정이다. PR 코팅은 포토리소그래피 공정의 첫 단계로, 웨이퍼 표면에 PR을 균일하게 코팅하여 이후 노광 및 현상 과정에서의 수율을 높이기 위해 수행된다.
PR 코팅은 고체분자와 용매로 구성된 액체 상태의 PR을 웨이퍼에 도포하는 스핀 코팅(Spin Coating) 방식으로 진행된다. 웨이퍼를 고속으로 회전시키면 PR이 웨이퍼 중앙에서 가장자리로 퍼져나가면서 균일한 막이 형성된다. PR 코팅 공정에서는 PR의 점도, 고형분 농도, 회전 속도 및 시간 등의 다양한 변수들이 최종 PR 막의 두께와 균일도를 결정한다.
PR 막의 두께와 균일도는 매우 중요한데, 이는 이후 노광 및 현상 공정에 큰 영향을 미치기 때문이다. 두께가 균일하지 않거나 너무 두껍거나 얇으면 언더컷(Undercut) 또는 오버컷(Overcut)이 발생하여 원하는 회로 패턴을 구현하기 어렵다. 따라서 PR 코팅 공정에서는 최적의 조건을 찾기 위한 노력이 필수적이다.
PR 코팅 후에는 Soft Bake 공정을 거치는데, 이는 PR 내부에 남아있는 용매를 제거하여 PR 막을 안정화시키는 역할을 한다. Soft Bake 온도와 시간은 PR의 종류와 요구되는 특성에 따라 달리 설정된다.
이처럼 PR 코팅 공정은 정밀한 공정 변수 제어를 통해 최적의 PR 막을 형성함으로써 후속 포토리소그래피 공정의 수율을 높이는데 핵심적인 역할을 한다.
1.3.2. 노광 및 현상
노광 및 현상은 감...
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