• 최종편집 : 2019.5.24 금 10:52
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반도체 제조공정에 관하여나경수 (사)전자·정보인협회 회장
나경수 (사)전자·정보인협회 회장

반도체(半道體:Semiconductor)는 저온(低溫)에서는 거의 전류(電流)를 전도(傳導)하지 않으나 고온(高溫)이 될수록 전기 전도도(電氣傳導度)가 증대하는 물질이다.

규소(硅素)·게르마늄(Germanium)·아산화동(亞酸化銅) 등이 있다. 오늘날 정류기(整流器) 트랜지스터(Transistor) 등 중요한 기구에 널리 응용되고 있다.

트랜지스터(Transistor)는 Transfer of energy through varistor의 약칭이다. 게르마늄 경정(結晶)을 특수한 각도(角度)로 끊은 것을 이용하여, 진공관과 같은 증폭 작용(增幅作用)을 하는 전자 장치를 말한다.

직경 약 5mm, 길이 약 20mm 정도의 작은것도 있으며, 가열 전극(加熱電極)이 필요 없고, 필요 전력이 극히 소량이다.

다수의 진공관을 사용하는 장치에 이용하면, 전체의 중량·용적을 아주 작게 할 수 있고, 또한 발열(發熱)에 의한 불리한 점을 제거할 수 있다. 라디오 수신기·통신기 및 전자계산기 등에 널리 쓰인다. 진공관 대신에 트랜지스터를 사용한 라디오수신기가 트랜지스터라디오(Transistor radio)이다.

반도체 제조공정은 크게 전(前 )공정과 후공정으로 나뉜다. 전공정은 웨이퍼(wafer)라는 반도체철판 위에 나노미터(nm)크기의 미세한 회로선폭을 구현하는 과정이다. 이것은 마치 사진을 찍은 후 현상하는 과정과 흡사한데 노광, 현상, 증착, 식각, 세정 등의 과정을 거치게 된다.

평평하게 가공된 반도체 원판 위에 감광액을 입혀 노광공정을 통해 강한 빛을 쪼여주면 원판위에는 일정한 형태의 회로 선폭이 그려진다. 즉 반도체 웨이퍼 위에 회로선폭이 구현되도록 빛을 쪼여주는 작업이다.

원래 웨이퍼(wafer)는 얇은 판 모양으로 구운 가벼운 양과자를 말한다. 밀가루·설탕·계란 등을 섞어서 쇠틀에 넣고 살짝 구운 다음, 크림을 두 쪽을 합친 사이에 끼운다. 흔히 아이스크림에 곁들이기도 한다. 물리학에서는 집적회로의 기판(基板)으로, 직경 5~10㎝ 정도의 실리콘 단결정(單結晶)의 박판(薄板)을 말한다.

노광(露光), 노출(露出:exposure)은 보이거나 알 수 있도록 드러내는 것이다. 사진기에서, 렌즈로 들어오는 빛을 셔터가 열려 있는 시간만큼 필름이나 건판에 비추는 일이다.

현상(現象:Development)은 노출된 필름·인화지를 약품으로 처리하여 찍힌 상(像)이 눈에 보이도록 하는 것이다. 글자그대로, 어떤 현상으로 나타나는 것이다. 이처럼 노광공정을 마친 후 형상이 눈에 보이도록 상을 만들어 주는 작업이다.

이후 현상하고 감광액을 벗겨낸 후 필요한 물질을 일정한 두께로 입혀주는 증착공정을 수행한다. 즉 반도체 웨이퍼 위에 금속 및 비금속 등 필요한 물질을 입히는 작업이다.

증착(蒸着) 즉 진공(眞空) 증착(vacuum evaporation coating)은 진공 중에서 금속이나 화합물 등을 가열·증발시켜 그 증기를 물체 표면에 얇은 막으로 입히는 일이다. 렌즈의 코팅, 전자부품이나 반도체, 집적회로·광학 부품의 반사막(反射膜) 등 수nm에서 수십nm의 막을 형성하는데 이용한다.

이 과정이 끝나면 원판 위를 회로선폭에 따라 정밀하게 깍아내는 식각공정을 거쳐야 한다. 반도체 웨이퍼 위에 불필요한 부분을 깍아 내는 작업이다. 식각(蝕刻)은 부각(腐刻)이라고도 하는데, 약물을 사용하여 유리·금속 등에 조각하는 것이다.

흔히 부각법(腐刻法) 혹은 식각법(蝕刻法)은 인쇄에서 에칭(etching)이라 하는데, 동판 위에 질산에 부식되지 않는 일종의 밀을 칠하고, 그 표면에 바늘로 그 그림이나 글을 새겨, 이것을 질산에 넣어 부식시켜 만드는 오목판 인쇄술을 말한다. 또는, 그 인쇄물, 부식동판(腐蝕銅版)이다.

다음에는 원판 위에 남은 분진을 씻어 내는 세정공정이 진행된다. 반도체 웨이퍼 위에 남아있는 파티클(Particles)을 제거하는 작업이다. 세정(洗淨)은 깨끗이 씻는 것, 세척(洗滌)이다. 불교에서 세정한다 함은 심신(心身)을 씻어 깨끗이 하는 일이다.

세척(irrigation)은 깨끗이 씻기, 의학에서는 지속적으로 물이나 세척제 등을 흘려 넣어 깨끗이 씻는 치료법을 말한다. 공업·공학에서는 침전물(沈澱物)에 남아 있는 액체 불순물을 제거하기 위하여 침천물에 세척액을 넣어 교반(攪拌)하고 웃물을 따라 내는 일종의 정제법(精製法;washing)이다.

또 광물학에서는, 돌이나 자갈 등에서 필요 없는 잔 물질을 제거하는 일(scalp)이다.

이와 같이 노광, 현상, 증착, 식각, 세정의 반도체 전(前)공정의 과정을 1개월 정도 수십 번 반복하면 특정 기능을 수행할 수 있는 반도체가 만들어 진다. 전체 반도체 투자액 가운데 80%의 비중을 차지하는 전공정을 마친 반도체 원판은 나머지 20%의 비중을 차지하는 후(後)공정으로 이동한다. 후공정에서는 조립(패키징)과 검사(테스트)과정을 거치게 된다.

패키징(Packaging)은 ‘상자에 채워 형태를 정리 한다’는 사전적 의미를 갖고 있다. 하지만 반도체 제조과정에서 패키징은 ‘반도체 칩이 탑재(搭載)될 기기에 적합한 형태로 만든다’는 의미로 사용된다. 반도체 칩은 기판이나 전자제품의 구성품으로 필요한 위치에 장착되기 때문에, 그에 맞는 모양으로 전기적인 포장을 해야 한다.

전자제품을 사람의 신체에 비유하면, 집적회로(IC)는 두뇌에 해당하고, 패키징은 신경계통이나 골격 구조에 해당한다고 볼 수 있다. 좀더 구체적으로 말하면, 조립공정은 반도체 원판을 일정한 크기로 절단해 여러 개의 네모난 칩(chip)을 뽑아내고, 각각의 칩이 전기적으로 통하게 하기 위해 금속선을 연결한 후 외부로부터 보호하기 위해 덮개를 씌워준다.

즉 패키징은 상호배선, 전력공급, 방열 그리고 IC 보호역할을 한다. 특히 IC는 고온, 고습, 화학약품, 진동과 충격 등 예기치 못한 다양한 외부환경으로부터 안전하게 보호될 수 있도록 패키징 돼야한다.

이후 반도체가 정상적으로 작동하는지를 확인하기 위해 최종적으로 검사(Test)한다. 즉 패키징 공정이 완료되면 제대로 작동하는지를 파악하기 위해 패키지 테스트를 시행한다. 이 테스트는 완제품의 형태를 갖춘 후에 진행된다.

금속과 절연체 중간의 전기 저항을 가지며, 그 전하의 캐리어 밀도가 어느 온도 범위에서 온도와 더불어 증가하는 전자 혹은 이온 전도성의 고체인 반도체는 현대 산업에서 중요한 역할을 해 오고 있다. 규소, 게르마늄은 대표적인 반도체이다.

올해 반도체 수출은 전년보다 약간 증가해 거의 600억 달러에 육박할 것으로 예측된다. 따라서 반도체는 작년에 이어 올해도 석유제품을 제치고 수출 1위의 품목자리를 지킬 것으로 예상된다. 엔저를 등에 업고 바짝 추격하는 일본의 반도체 부품·장비에 맞서 우리 업체의 핵심기술 선점과 대형화를 위한 구조조정을 적극 유도해야할 것이다.

김영환 기자  yyy9137@naver.com

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