웨이퍼
Wafer
1. 개요
# [1]
Wafer 링크된 그 '웨하스'나 와플이랑 어원이 같다. 웨이퍼를 칩으로 쪼갤 수 있도록 격자무늬로 만들어놓은 게 꼭 와플처럼 보이기 때문.
현대 반도체를 만드는데 있어 그 기본이 되는 요소로 다양한 재료로 만들 수 있지만 대부분 단가, 안정성, 특성으로 인해 규소로 만든다.
현대 반도체공학의 웨이퍼는 현재 대세가 300mm이나 400, 450mm 웨이퍼의 상용화 목소리가 나오고 있다.
D램이나 낸드 등의 반도체 칩의 과점은 잘 알려져 있지만 반도체의 주 재료인 웨이퍼 시장의 과점은 비교적 알려져 있지 않다. 상위 5개 회사가 90%가 넘는 시장 점유율을 가지고 있다. 일본 회사인 신에츠, SUMCO(섬코)가 30%대의 점유율로 나란히 1,2위를 차지하고 있으며(둘 합쳐 60%정도.) 독일 회사인 실트로닉이 그 뒤를 잇는다. 미국 회사인 선에디슨(구 MEMC)과 한국 회사인 SK 실트론이 4,5위를 차지하고 있다. 2017년 들어 이 시장 역시 반도체의 호황에 따라 함께 호황을 맞고 있으며 역시 마찬가지로 중국 회사들이 진입을 시도하고 있다.
2. 공정
반도체 웨이퍼를 만드는 과정은 다음과 같다.
2.1. 단결정 실리콘 성장
흔히 반도체급 실리콘이라고 부르는 순도 99.9999999%의 실리콘을 녹여 하나의 큰 단결정 실리콘을 만드는 과정이다.
여기서 생산되는것을 잉곳(Ingot)[2]이라고 불리며 85%이상의 실리콘 성장에는 초크랄스키Czochralski 방법이 사용된다. 이 이름은 1900년 초 이 공정을 개발한 사람의 이름을 딴 방법이다. 약자로 CZ법이라고도 한다.
2.1.1. CZ법
이 CZ법은 도가니에 넣어 실리콘을 녹이고, 표면에 Seed를 놓아 마치 소금물 포화용액 식히면 결정 달라붙듯 이 Seed에 단결정 실리콘들이 와서 붙게 한다.[3]
실리콘들이 붙기 시작하면 인상기(Puller)를 이용해서 슬슬 돌리면서 위로 뽑아내면 드디어 기다란 실리콘 원기둥이 생겨나기 시작한다.
이렇게 끌어올리면 표면장력에 의해 원기둥이 점점 자리기 시작하며 점점 굳어지고, seed와 동일한 결정 방향을 가지게 된다.
이 인상기는 처음에는 빨리 회전시키고, 나중에는 상당히 낮은 속도로 회전시킨다. 이는 잉곳의 지름이 회전속도에 영향을 미치기 때문.
이 공정의 목표는 실리콘을 균일한 지름을 갖는 커다란 단결정 덩어리로 만드는 것이다. 바로 아래 사진이 결과물.
[image]
2.1.1.1. 도핑
정밀하게 제어되는 불순물을 넣어 실리콘의 특성을 변화시키는걸 이야기한다.
여기 사용되는 불순물을 도펀트라고 부른다. p형 실리콘을 원한다면 3가의 붕소를 주로 사용하고, n형 실리콘을 원하면 주로 5가의 인이 사용된다.
보통 양이 극단적으로 적기 때문에 (1입방센티미터당 원자 10^19개 이하) 직접 첨가하지는 않으며, 압착 실리콘에 도핑하여 분말형태로 도가니에 투여한다.
2.1.1.2. 불순물
여기서 말하는 불순물은 도펀트와는 달리 의도치 않은 그야말로 방해물을 이야기한다.
주요 불순물은 산소이며 이게 적은양이 들어가면 산소에 다른 오염물질이 들러붙어 제거할 때 같이 날아간다.
주로 가열과정에서 날아간다.
2.1.2. FZ 법
Float-Zone 방식이며 부융대법이라고도 한다. 한번 굳히면 끝인 일반 초크랄스키 법과 달리 반복해서 용융이 가능하기 때문에 산소 함유량이 극단적으로 낮아지며 알려진 가장 순수한 단결정 실리콘 덩어리가 형성된다.
주형으로 만들어진 다결정 실리콘 막대기를 놓고 단결정 seed를 막대 끝에 붙인다.
겉에 RF 코일을 감고 막대와 seed가 접촉하는 부분에 열을 인가하면 시드에 단결정 실리콘들이 붙는다.
[1] 인텔이 올린 22nm (아이비브릿지, 하스웰 공정) 다이 제조 애니메이션이다. [2] 금속 덩어리. 금괴, 은괴 등도 영어로는 잉곳이다.[3] 이 경우 들러붙는 실리콘 결정들은 Seed와 정확히 같다.