|
교 과 목 명 | 반도체공정 | 연간 총 이수 시간 | 22 | |
신설의 필요성(이유) | 급변하는 산업구조에 첨단학과 개편에 따른 교과목 신설 | |||
설 정 목 적 | IT산업사회에 가장 기초가 되는 다이오드 및 트랜지스터를 제조하는 반도체 공정 학습 | |||
교 과 목 목 표 | 정보사회의 기반이 되는 반도체 제조공정 학습 | |||
교 과 목 내 용 요약 | 반도체 제조공정에 대한 이론 및 실습 | |||
평 가 | 반도체공정에 대한 이해도 지필 및 실습을 통한 수행평가 | |||
이 수 학 년 및 이 수 단 위 | 2학년 10 단위 3학년 12 단위 | 총 | 22 단위 | |
전공 (지도) 교사의 확보 여 부 (방안) | 경북대학교 반도체공정교육 및 지원센터 3회 교육이수 | 소지 자격증 | 기계금속1정 전자 2정 | |
시 설 현 황 및 기 타 특 기 사 항 | 반도체 공정실습실 및 반도체 교과서 인정도서 승인(2004. 8. 26) |
고등 학교 교육 과정 편성․운영 지침에 의하여 (반도체 공정)교과목을 신설하여 운영하고자 하오니 승인하여 주시기 바랍니다.
2004년 10월 13일
대중금속공업고등학교장 (직인)
대구광역시교육감 귀하
과목별 교육과정 설명서
과목명 : 반도체공정
1. 성격
21세기 첨단산업의 정보화 및 지식기반사회에 부응하고, 변화된 산업환경에 효과적으로 대처하며, 첨단산업기술을 실업교육에 접목하기 위하여 교과목의 개편이 필연적이다. 미래 첨단정보산업사회에 적응하기 위해서는 실업교육도 전문성과 다양성이 요구되고 있다. 학문은 산업의 발달에 따라 그 시대에 필요한 교육을 위하여 끊임없는 변화를 요구받고 있다. 따라서 교과목은 시대의 요구에 따라 변화가 불가피하다. 현재의 산업구조가 전자관련 산업으로 급격하게 변화되어 이와 관련된 기능인력의 양성이 절대적으로 요청되고 있다. 이러한 산업구조의 변화에 맞는 교과목 변경을 통하여, 실업계고의 특성화와 내실화의 시대적인 요구에 부응할 수 있을 것으로 판단된다.
반도체공정 기능인력은 반도체 집적회로(IC) 제조를 위해 전자기초이론의 지식과 장비조작 원리를 응용하여 반도체 생산공정에서 업무를 수행하며, 연산장치, 제어장치, 출력장치 및 입력장치 등에 사용되는 각종 집적회로를 제조하는 자를 말한다. 반도체웨이퍼(wafer:게르마늄 또는 실리콘을 얇게 자른 것)를 가공할 때는 반도체공정기능인으로, 가공한 웨이퍼를 조립할 때는 반도체조립기능인으로 분류하여 호칭되기도 한다.
반도체가 세상에 처음 나온 것은 1947년이었다. 오늘날의 반도체 집적 회로는 수억 개의 트랜지스터를 하나의 칩 위에 담고 있다. 반도체 집적회로 (IC) 의 개념은 1952년 영국의 듀머에 의해 제안되었고 , 1958년 텍사스 인스트루먼트(TI)사에 의해 최초로 개발되었다. 우리나라 반도체 산업의 발전은 최초 외국계 자본에 의한 조립생산단계(1965∼1970년대), 국내 기업들에 의한 조립 및 개별소자 생산단계(1970년대), 국내 기업들에 의한 일관공정 생산단계(1983∼1990년대), 국산 고유 상표에 의한 수출단계(1990년대 전반), 생산체제 고도화 단계(1996년 이후) 등으로 나누어 볼 수 있다. 국내 반도체 역사의 시작은 1965년 미국 Commy사와 국내 고미반도체(주)의 합작에 의한 트랜지스터(Transistor) 생산이 그 효시가 되었다. 1968년 아남산업에 의해 최초로 국내 자본에 의해 반도체 조립 산업을 출범시킨 이후, 1970년 금성반도체, 1974년 한국반도체 등이 설립되면서 국내 기업에 의한 반도체 생산단계로 접어들게 되었다. 반도체 일관공정 생산은 1983년 삼성그룹에 의해 시작되어 국내 최초로 64K DRAM을 국산화하기 시작하는 등 이때부터 본격적인 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 생산기반이 구축되었다. 1991년 국내 자체상표로 DRAM을 미국시장에 본격적으로 수출하기 시작하였고, 1992년 세계최초로 64M DRAM을 개발함으로써 1993년 이후부터는 메모리분야의 세계시장에서 가장 경쟁력이 있는 위치를 확보하게 되었다.
그러나 현재까지 반도체의 제조공정에 대한 체계적인 학습을 통하여 훈련된 기능 인력은 육성되지 못하였다. 따라서 21세기의 지식정보화사회의 원천기술인 반도체의 제조 기술에 대한 기능 인력을 양성해야하고 이를 통하여 우리나라의 반도체산업의 경쟁력을 더욱 공고히 할 수 있다. 이 책이 각급 학교의 반도체 재료, 정보 재료, 전기 및 전자 분야를 전공하는 학생들이 선택하여 이수할 수 있는 과목으로 채택되어 반도체의 기초 이론과 반도체 소자 및 제조 공정에 대한 이론과 작업 내용을 쉽게 이해하고 터득할 수 있게 되어 우리나라 반도체 산업의 유능한 인재를 양성하는 데에 조금이라도 도움이 되기를 기대한다.
2. 목표
2002년도의 세계 반도체 시장 규모는 약 1,400억 달러로 그 중에서 메모리 반도체가 약 300억 달러, 비메모리 반도체가 약 1,100억 달러를 차지하고 있는데, 국내 반도체 산업은 메모리 분야에서 세계 시장의 42%를 점유하는 세계적인 수준에 있다. 또, 반도체 산업은 우리나라 산업 생산의 26.2%, 총 수출액의 10%를 담당하고 있을 정도로 통신, 컴퓨터, 가전, 자동차 산업 등 거의 모든 산업 분야에서 핵심적으로 요구되는 고부가가치의 중요한 기반기술이다. 이와 같이 현대 산업 사회는 반도체에 의해 주도되고 있으며, 우리 생활 전반에 걸쳐 폭넓게 적용되고 있다. 반도체 산업은 연간 6천여 명의 체계적으로 양성된 인력이 확보되어야 하는 노하우 중심의 산업이므로 학제적 능력을 갖춘 고급 인력뿐만 아니라 전문 기능 인력의 양성이 요청되고 있다. 따라서 본 교과는 반도체 산업의 기능인력의 양성을 목표로 반도체 제조공정에 대한 내용의 학습을 목표로 한다.
일반적으로 반도체는 어려운 학문으로 인식되고 있으나, 실제로는 재료 공학에 그 바탕을 둔 기초 물리, 화학적 이론에 바탕을 두고 있어, 고등학교 학생들을 대상으로 교육하는 데에도 큰 어려움이 없을 것으로 생각한다. 이에 본 반도체 공정 교과서는 기초 물리의 원자 배열 및 최외각 전자 이론과 재료 공학의 기초인 결정 구조 및 단결정 성장, 화학의 기초인 산화 및 확산에 그 기본을 두고 있다. 따라서 본교과서의 제1장에서는 반도체의 기초 개념으로 기초 물질, 반도체 물리, 결정 구조에 대한 내용의 이해를 목표로 하고, 제2장에서는 반도체의 발달 과정과 반도체 소자의 핵심인 다이오드와 트랜지스터, 반도체 소자의 작용에 대한 이해를 학습목표로 한다. 또, 제3장에서는 결정 성장법에 대한 이론과 실습을 병행하여 웨이퍼와 같은 반도체 재료에 대하여 학습과, 제4장에서는 반도체 제조 공정에 대한 개요와 반도체 공정별 세부 내용과 함께 제조 라인에 대한 학습을 목표로 하고 있다. 제5장에서는 반도체 제조 공정별 작업 내용을 실습을 통하여 습득하는 것을 목표로 하며, 마지막으로 제6장에서는 메모리 제품의 종류와 동작 원리, 비메모리 반도체 제품의 특징과 시장 동향에 관하여 학습하는 것을 목표로 한다.
3. 내용
본 교과서는 다음과 같은 내용을 학습하도록 구성되어 있다.
제1장 반도체 기초
본 반도체 기초편에서는 반도체의 기본 개념을 정립하기 위하여 주기율표를 중심으로 기초 물질과 재료의 결정구조 및 도너와 억셉터에 따른 N형과 P형 반도체에 대해서 학습한다.
1. 반도체의 개념
2. 기초 물질
3. 반도체 물리
4. 재료의 결정 구조
제2장 반도체 소자
진공관과 트랜지스터, 집적 회로 등으로 이어지는 반도체의 발달 과정과 반도체의 기본 요소인 다이오드와 트랜지스터에 대한 기초 이론을 학습한다. 특히, 다이오드와 트랜지스터의 종류와 용도 및 동작 특성과 바이어스에 대하여 학습한다.
1. 반도체의 발전
2. 다이오드
3. 트랜지스터
4. 반도체 소자의 작용
제3장 반도체 재료
반도체 재료는 게르마늄(Ge), 실리콘(Si)과 같은 단원자형인 단일 원소 반도체와 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP)과 같은 화합물 반도체가 있다. 그러나 실리콘은 돌, 유리, 수정 등의 주성분으로 열에 강하고, 지구상에서 산소 다음으로 매우 풍부하여, 현재 가장 많이 쓰인다. 실리콘을 반도체로 사용하기 위해서 모래를 화학 처리하여, 실리콘만을 뽑아 정제 과정을 거쳐, 순도를 높인다. 이것을 다결정 실리콘(poly silicon)이라고 한다. 이를 다시 녹인 다음, 특수한 기술로 천천히 굳혀서 원통 모양의 단결정 실리콘 기둥을 만든다. 이렇게 만든 단결정 실리콘 기둥은 얇게 자른 원판인 웨이퍼로 만들어진다. 이러한 반도체 제조에 사용되는 웨이퍼를 기본으로 단결정의 성장법과 그 실습 방법을 알아보고, 웨이퍼와 칩에 관련된 용어 및 반도체에 사용되는 단위에 대하여 학습한다.
1. 단결정 성장 방법
2. 결정 성장 실습
3. 반도체 원/부자재
제4장 반도체 공정
반도체의 기본 요소 기술을 중심으로 단결정 실리콘에서부터 웨이퍼의 제조, 웨이퍼의 가공 선별 및 조립 공정을 학습한다. 특히, 웨이퍼의 가공은 전․후 공정을 구분하여 전 공정에서는 양극성과 FET 가공 공정을, 후 공정에서는 조립 및 검사 공정을 체계적으로 학습한다.
1. 기본 요소 기술
2. 반도체 공정의 개요
3. 반도체 공정의 실제
4. 반도체 제조 라인
제5장 반도체 공정 실습
실습을 통하여 반도체 공정의 요소 기술을 이해하고 숙지할 수 있도록 공정별 순서에 따라 관련 지식과 함께 전체적인 반도체 공정을 학습한다.
1. 회로 설계 실습
2. 마스크 제작 실습
3. 웨이퍼 가공 실습
4. 초기 웨이퍼 세정 실습
5. 공정 중 웨이퍼 세정 실습
6. 회전 도포 실습
7. 진공 탈수 베이크 실습
8. 소프트 베이크 실습
9. 포토마스크 세정 실습
10. 마스크 정렬과 노광 실습
11. PR 현상 실습
12. 하드 베이크 실습
13. 실리콘 식각 실습
14. 확산 실습
15. 산화 실습
16. 스퍼터링 실습
17. 알루미늄 식각 실습
18. 진공 증착 실습
19. 알루미늄 어닐링 실습
20. 전기 전도율과 저항 측정 실습
21. 두께 측정 실습
22. 웨이퍼 전도 형태 측정
이러한 실습과정을 통하여 다음과 같은 4가지 기본기술과 반도체 제조를 위한 일관공정을 터득하게 된다.
① 4가지 기본기술
이산화규소(SiO2)막형성➡도펀트 첨가➡절연체․도체 증착➡감광기술(패턴형성)
② 일관공정
에어샤워 ➡ P형 웨이퍼선정 ➡ 레이저로 ID번호 기입 ➡ 유․무기오염물 제거를 위한 뜨거운 산중에서 세척(염산, 황산, 과산화수소, 수산화 암모늄) ➡ 탈이온수 수세 ➡ 질소가스 중 탈수 ➡고온에서 얇은 이산화규소 층(SiO2) 형성 ➡ 감광액(PR)도포 ➡ 소프트베이크 ➡ 마스크(#1)스텝퍼작업(자외선노출) ➡ 현상(음성-노광되면 굳어지고 현상 후 남음, 양성-노광부가 화학적 변화에 의해 현상 시 제거됨) ➡ 에칭(습식, 건식 프라즈마) ➡ PR박리 ➡ 인(P)이온주입(N형영역형성) ➡ 확산처리 ➡ 질화규소 층 형성(SiO2층 성장억제) ➡ PR도포 ➡ 마스크(#2)배열 ➡ 현상 ➡ 세척 ➡ 하드 베이크 ➡ 건식(프라즈마)에칭 ➡ PR도포 ➡ 마스크(#3)정열 ➡ 현상 ➡ 세척 ➡ 소프트 베이크 ➡ 건식(프라즈마)에칭 ➡ PR제거(뜨거운 산처리) ➡ 산화 ➡ 산화막(field oxide)형성(산소+수소) ➡ 질화층제거(습․건식) ➡ 붕소(B) 도핑 ➡ 산화막 일부제거 ➡ 새 산화막형성 ➡ P도핑된 다결정실리콘(poly silicon)코팅(게이트전극) ➡ 사진인쇄(마스크 #4, P채널형성용) ➡ 게이트 전극 형성 ➡ 다결정실리콘의 건식에칭 ➡ PR제거 ➡ 마스크(#4-N채널형성용, #5-N채널형성용) ➡ PR제거 ➡ 세척 ➡ 어닐링(이온주입 결정제거) ➡ 절연 유리 층 증착 ➡ 화학적·기계적 표면연마(CMP) ➡ 사진인쇄(#6 마스크) ➡ 배선통로제작 ➡ 접점정공형성 ➡ 금속(W)증착 ➡ 표면에칭 ➡ Al-Si합금층 형성 ➡ #7마스크(게이트 형성) ➡ 에칭 ➡ PR스트립 ➡ 반복(Plug형성) ➡ SiO2 산화막 증착 ➡ 사진인쇄 ➡ 마스크(#6) ➡ 에칭 ➡ W코팅 ➡ Al합금 증착 ➡ 본뜨기(패턴형성) ➡ 보호막(질화규소)코팅 ➡ 질화막(접점)부분에칭 ➡ PR제거 ➡ 세척 ➡ 전기검사(점 찍힌 것 불량) ➡ 절단(소자분리) ➡ 배선 ➡ 수지밀봉 ➡ 조립 ➡ 포장
제6장 반도체 응용
21 세기 디지털 정보화 시대를 맞이하여 컴퓨터, 디지털정보, 가전 및 산업용 등 각종 분야에 걸쳐 DRAM(dynamic random access memory)이 널리 사용되고 있다. 이러한 DRAM은 한 개의 트랜지스터와 한 개의 커패시터로 셀을 구성하는 단순한 구조이기 때문에 대용량화와 저렴화가 뛰어나다는 장점을 가지고 있다. 이로 인해 총 메모리(memory) 수요의 60~70%를 차지하고 있는 PC나 워크스테이션(workstation)의 주기억 장치를 비롯하여 각종 디지털 정보 가전기기에 널리 이용되고 있으며, 그 응용 범위도 계속 확대되고 있다. 따라서, 이 단원에서는 반도체의 메모리와 비메모리 제품의 종류와 특성, 반도체 소자 관련 유의 사항을 학습한다.
1. 메모리 반도체
2. 램(RAM)의 동작 원리
3. 비메모리 반도체
4. 반도체 소자 관련
4. 교수․학습방법 및 평가상의 유의점
가. 학습매체를 많이 이용하고 학습자료를 충분하게 확보하여 지도해야한다.
영상이나 음성, 문자 등의 미디어들은 학생들이 많은 흥미를 가지고 있다. 따라서 미디어 소재와 관련한 이론과 실습을 통하여 단계적으로 지식을 습득하고, 미디어나 컴퓨터를 통하여 교육의 효과를 높인다. 학생들의 능력차를 고려하여 학생의 능력에 맞는 과제를 주어서 스스로 해결할 수 있도록 도와주는 형식의 학습방법을 사용한다.
나. 반도체의 기본 요소공정을 이해하고 반도체를 제조할 수 있는 능력을 배양하는데 중점을 두어 지도한다.
반도체의 종류에 따른 제조방법을 이해하고 산업의 발달에 따라 빠르게 변화하는 제조방법에 적응할 수 있도록 최신기술 동향을 분석하여 교육과정에 반영한다.
다. 실무수행능력을 배양할 수 있도록 조별실습과제를 좀더 체계적으로 교육하여 조원간의 협조체제가 잘 이루어지도록 유도한다.
반도체는 일관공정이므로 각 단계마다 실습을 반복하고 최종적으로 전 공정을 일괄하여 실습을 실시한다. 특히 크린룸에서 지도할 때에는 청결유지와 안전수칙에 유의한다.
라. 형성평가, 총괄평가는 필기시험과 실습평가를 병행하여 실시한다.
형성평가는 기본기능과 기초지식의 습득과정에서 학습준비나 과제의 숙달정도를 파악하고 미숙한 부분을 지적하도록 하며, 총괄평가에서는 학습목표의 도달정도를 포괄적으로 측정하도록 하되 이론평가와 실습평가를 병행하여 실시한다.
마. 안전수칙에 유의하여 실습에 임한다.
모든 화공약품(유기약품, 산/염기)과 (극)독성가스를 사용하는 공정의 진행자는 반도체 조교로부터 안전교육을 받아야 하며, 안전수칙을 이해하고 숙지하여야 한다. 또한 반도체실험실에 입실하기 전에 반드시 규정된 복장을 착용하여야한다. 또한 반도체실 내에는 (극) 독성을 화공약품과 독가스 등의 위험 요소가 항시 상존하고 있으므로 순간의 방심도 허락되지 아니하며, 항상 반도체실 내외를 정리 정돈하여 재해 예방조치를 취하여야 한다. 신속한 응급조치만이 피해를 최소화하는 첩경이다. 모든 사건, 사고는 반도체실 담당교사에게 보고하여야 한다.