1. 반도체 장비
1. 반도체 설비의 개요
2. 반도체 제조 공정 설비
반도체 산업은 미래 산업을 이끄는 첨단 산업으로 나노 산업과 맞물려 향후 더욱 발전 가능성이 높다. 특히, 반도체 분야에 새로운 기술들이 개발되고, 전자 제품의 판매량이 증가함에 따라 반도체 시장에서 전 세계의 장비 판매액은 2005년도 296억 달러로 지난 2002년 이후 매년 8~40%씩 성장하고 있으므로, 반도체 장비 시장의 강한 성장에 따라 장비를 생산하는 산업체들은 계속적으로 많은 전문 기술 인력을 요구하게 될 것이다.
1.1. 1. 반도체 설비의 개요
1. 반도체 제조 방법을 설명할 수 있다.
2. 반도체 장비의 특징을 설명할 수 있다.
학습목표
우리는 자주 TV에서 실리콘이라고 하는 회색의 단단한 돌 같은 매우 작은 반도체 칩을 가는 선에 빈틈없이 정확하게 꽂는 기술 고도화의 상징적인 장면을 볼 수 있다. 이것은 현대 산업의 최첨단 기술로 집적 회로 제조 방법은 수 밀리 두께의 사각 실리콘 기판 위에 다수의 부품과 회로가 얇은 막처럼 몇 겹씩 쌓아 올릴 수 있게 되어 있다. IC 제품을 제조하는 공정은 크게 반도체 소자 제조 공정과 패키지로 꽂아 넣는 조립 공정으로 분류한다. 반도체 소자를 제조할 때는 웨이퍼(wafer)에 회로를 그린 다음 필요한 원자가 스며들게 하는 것으로, 사진이나 전자 빔 기술 등으로 반복 작업을 통하여 회로를 중첩시킨다. 이렇게 가공된 한 벌의 웨이퍼를 절단하면 수백 개의 칩이 된다. 그 칩에 고속도의 와이어본드(wire-bond) 작업을 하거나 주위를 수지로 고정하거나 해서 IC라는 전자 패키지가 완성된다.
(a) 웨이퍼 제조 장치 (b) 제작된 웨이퍼
그림 Ⅴ-1 IC 제조 과정
그림 Ⅴ-2 반도체 제조 공기조화 설비
반도체 제조는 초정밀 작업이므로 미세한 먼지 등에 의한 불량 발생의 원인이 되므로 반드시 청정실에서 작업한다. IC를 비롯한 모든 전자 부품 들의 배선은 절연판의 표면에 구리 등의 얇은 띠를 부착시킨 프린트 기판 회로방식으로 아무리 많은 회로를 접속하여도 정확하게 배선되어진다. 최근 들어서는 다층 프린트 기판에 열에 의한 접속 방식인 칩 방식이 개발되어 깨끗하고, 소량화 함으로써 공장의 제조 라인 자동화에 크게 이바지하고 있다. 반도체 산업은 장치 산업으로 다음과 같은 특징을 갖게 되었다.
① 가격이 엄청난 고가이므로, 투자 부담이 크다.
② 프로세스 조건에 크게 의존한다.
③ 전기, 전자, 기계 등 여러 기술의 종합적 산물로서 점점 복잡화, 다양화되고 있다.
④ 반도체 제조 기술의 빠른 발전 속도에 따라 설비의 유효 수명이 짧다.
⑤ 진공, 불순입자 등에 세심한 주의가 필요하다.
⑥ 반도체 제품의 수율이나 신뢰성에 크게 영향을 미친다.
⑦ 따라서 최초 제작이나 구입 때도 중요하지만, 사용 중에도 어떻게 최적 상태로 유지하고, 보수하느냐가 생산성 향상에 주요한 요인이 된다.
1.2. 2. 반도체 제조 공정 설비
1. 반도체 제조 공정의 순서를 나타낼 수 있다.
2. 반도체 제조 공정에서 사용되는 장비를 설명할 수 있다.
학습목표
반도체 제조 공정은 크게 사진 현상 공정, 식각 공정, 유전막, 금속막 증착 공정, 확산 및 열처리 장비, 이온 임플랜트(implant) 공정으로 나누어진다. 따라서 사진 공정에서는 감광제 증착 및 코팅 장비, 인화 장비, 현상 장비, 검사 장비, 식각 공정에는 습식 장비 및 건식 장비 등이 있으며, 증착 장비로는 CVD, PVD, MOCVD, ALCVD 등의 다양한 장비가 있어 용도별 증착 방법에 따라 사용되어지고 있으며, 특수한 경우에는 이에 따라 새롭게 개발하여 사용한다. 확산 및 열처리 장비는 열처리로를 사용하며, 이온 임플란트 장비로는 이온 임플란터를 사용한다.
1.2.1. 01. 진공 펌프
용어해설
리소그래피
집적 회로 제작 시 실리콘칩 표면에 만들고자 하는 패턴을 빛으로 촬영한 수지를 칩 표면에 고정한 후 화학 처리나 확산 처리하는 기술
반도체 공정 중에서 리소그래피 공정을 제외한 기판 공정이나 배선 공정에서는 청정 상태를 유지하기 위하여 진공 상태를 유지하
그림 Ⅴ-3 반도체용 진공 펌프
펌프의 종류
저진공 펌프:
오일 로터리 펌프, 건식 진공 펌프 등
고진공 펌프:
터보 펌프, 크라이오 펌프 등
기 위하여 진공 펌프를 사용하고 있다. 진공 펌프는 여러 종류의
펌프가 있으나, 소형화에 따른 추세로 반도체 소자, 선폭 등의감소에 따라 챔버 내에서 불순물 입자의 발생 방지 및 오일 증기의 역류 방지를 위하여 건식 진공 펌프가 많이 사용되어지고 있다. 반도체용 건식 진공 펌프는 산업용 건식 진공 펌프에 하여 진공도가 높으며, 펌프 작동 시 자체에서 생겨나는 오일이나, 이물질들이 챔버로 역류되는 현상이 거의 없다. 또한, 반도체 칩의 선폭이 나노 기술로 수준으로 작아지며, 박막 공정 또한 PVD에서 ALD 공정으로 전환되고 있으며, 금속 배선막의 수요 증가로 건식 진공 펌프의 수요는 증가되고 있다. 현재 산업체에서는 각각의 공정에 따라 사용 가능한 건식 진공 펌프가 개발, 제작되고 있다.
1.2.2. 02. 확산 장비
확산이란 물위에 잉크를 떨어뜨리면 물 속으로 잉크가 퍼져나 가는 것과 같이 원자나 분자의 무작위 운동에 의하여 고농도 영역에서 저농도 영역으로 물질의 순수 흐름이 일어나는 과정으로 한 물질에서 어떤 다른 물질 속으로 퍼져 서로 결합되는 것을 의미한다. 따라서 반도체 공정에서는 이러한 확산 현상이 빠르게 이루어져야 하므로 고온의 환경을 만들 수 있는 설비가 로(爐)이다. 용광로를 사용하는 제철소와는 달리 반도체 라인에서는 석영관에 코일을 감은 전기로를 사용하며 웨이퍼를 집어넣는 방식에 따라 수평식(H-Furnace)과 수직식(V-Furnace)이 있다.
그림 Ⅴ-4 열처리 확산로
1.2.3. 03. 화학 증착 장비
광도파로
광전력을 도파할 수 있는 것으로, 광통신에서는 광 신호를 전달하도록 설계된 광섬유를 의미한다.
화학 증착 장비란 CVD(chemical vapor deposition)로, 서로 다른 성질을 갖는 기체-고체, 기체-액체의 화학 반응을 이용하여 기판의 표면에 층을 생성하는 공정으로, 기체 상태의 물질을 반응시켜 보호막인 산화물 유리막을 만들어 광도파로(光導坡路)의 원형을 제작하는 데 사용된다. 증착 장치의 종류로는 상압에서 사용하는 AP- CVD, 저압에서 사용되는 LP- CVD, 프라즈마 상태에서 사용되는 PE- CVD 등으로, Si-N, Si-O 막의 증착 방법으로 폭 넓게 사용되어 왔다.
그림 Ⅴ-5 플라즈마 증착 장비
1.2.4. 04. 사진 장비
(1) 코팅기
감광액(PR:photo resist)도포 설비로 웨이퍼 표면에 감광액을 고르게 도포해 주는 장비다.
(2) 스테퍼(stepper)
반도체 제조용 카메라로 자외선을 이용하여 마스크상의 회로 패턴을 감광액이 도포된 웨이퍼 표면에 전사해 주는 장비이다.
(3) 정렬기(aligner)
미세한 회로 패턴이 그려진 마스크를 반복적으로 축소하여, 투영하게 되는데, 이 때 웨이퍼 상의 위치와 마스크가 정확히 일치하도록 정렬시켜 주는 장비이다.
(4) 현상기(developer)
빛에 노출되어 성질이 변한 감광액을 현상액으로 제거해 주는 장비이다.
(a) 코팅기 (b) 정열기 (c) 현상기
Ⅴ-6 사진 장비
1.2.5. 05. 박막 장비
(1) 이온 주입 장치(implanter)
불순물 주입공정에 사용되는 설비로 불순물 원자 이온을 고속으로 가속하여 웨이퍼 속으로 주입해 주는 장치로, 종류로는 가속 에너지 정도에 따라 고 에너지 이온 주입 장치와 중간 에너지 이온 주입 장치가 있다.
(2) 금속 증막장치(sputter)
알루미늄(AL) 원자를 웨이퍼 표면에 부착시켜 소자 간에 연결배선을 만들어주는 장비이다.
(3) 연삭기(grinder)
반도체의 특성에 치명적인 영향을 미치는 원소 중에 대표적인 것이 나트륨(Na)인데, 이 나트륨을 제거하기 위해 나트륨을 웨이 퍼 뒷면으로 몰아서 나중에 그 뒷면을 갈아서 제거할 때 사용하는 장비이다.
1.2.6. 06. 식각(etch) 장비
(1) 에춰(etcher)
웨이퍼 위에 형성된 패턴대로 필요한 부분을 선택적으로 깎아 내는 장비이다.
(2) 스트립퍼(stripper)
식각 공정이 끝난 후 남아 있는 감광액을 제거해주는 장비이다.
(a) 에춰 (b) 세척기
그림 Ⅴ-7 식각 장비
(3) 세척기(station)
매 공정이 끝난 다음 웨이퍼를 세척해 주는 장비이다.
1.2.7. 07. 조립 및 검사 장비
반도체 소자는 매우 작은 입자를 다루는 재료이다. 따라서 검사 장비로 주사 전자 현미경을 사용한다. 투과 전자 현미경은 물체를 투과한 전자선의 산란으로 생기는 희고 검은 화상을 2차원 형태로 보여 주나 이것은 물체를 3차원 형태로 보여 주며 또한 광학 현미경의 최대 배율이 3천 배인 데 비하여, 전자 현미경은 원자와 원자를 핀셋으로 집어낼 수 있을 정도의 마이크로 단위까지 확대할 수 있어 관찰하기에 용이하다. 주사 전자 현미경은 0.5~30kv의 가속 전압으로 필라멘트에서 생성한 전자를 고진공 상태에서 전자기 렌즈를 통해 집적해 물체 표면 위에 산란시켜 이 때 발생하는 2차 전지의 밝기를 이용해 물체의 기하학적 형태를 측정하고 나아가 특수 장비를 부착해 물체의 물적 특성까지 분석할 수 있으므로 반도체나 세라믹 등 특수 소재의 불량 영상검사나 대학 연구 장비 등에 주로 사용된다.