Wafer

여기서 사람의 머리카락 두께는 70 마이크로 미터로 평균을 잡고 시작하겠습니다.

 반도체 업계에서는 1달러의 Si 원료로, 10달러의 잉갓을 만들고, 100달러의 웨이퍼를 생성하여 1000달러의 칩을 판다는 말이 있을 정도로 부가가치가 높습니다.

일반적으로 웨이퍼는 Si로 만들어집니다.

반도체에는 Si 뿐만이 아니라 Ge, GaAs로도 제조할 수 있습니다.

 일반적으로 GaAs에서는 가전자 대역이 더 좁아 전자의 흐름이 좀 더 Si 보다 원활하고, 문턱전류가 0.4v 인지라 Si의 문턱 전류 0.7 보다 낮아 문턱 이하의 누설 전류가 더 적고, 결과적으로 쓸데 없는 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 그러나 GaAs, 갈륨비소는 말 그대로 비소가 독소라 쓰기에는 치명적인 분자 입니다. 고온에 노출되면 As가 증발하면서 제조시 치명적인 위험에 처할 수 있습니다.

 Ge 또한 GaAs보다는 나쁘지만 Si 보다는 좋은 특성을 가지고 있지만, 고온에서 견디지 못하고 녹아버리거나, 불순물을 넣으면 불순물과 Ge가 해리되어 따로 분리가 됩니다. 이러면 반도체로써의 역할을 하지 못하지요.

일단 Si로 반도체 재료가 정해진 이유는 이것이고, 다음 단계로 넘어가겠습니다.

Si는 스칸디나비아 반도의 실리콘 원석 광산에서 캐옵니다. Si는 규소로써 모래에 많지만, 스칸디나비아 반도의 Si 광산에서는 순도 높은 Si를 추출해낼 수 있습니다. 일반적으로 반도체 웨이퍼는 ingot(잉갓) 이라고 하는 큰 덩어리에서 나옵니다. 잉갓의 직경은 일반적인 웨이퍼보다 약간 더 굵게 나오는데, 제조 후에 겉이 울퉁불퉁 하기 때문에 약간 깎아내기 때문입니다. 잉갓을 뽑아내는 방법은 Czochralski 성장법 을 사용하게 되는데, 이것은 섭시 1500도 온도에서 Si를 용융 시켜 액체 상태로 만든 후, 용융된 액체 표면에 Si Seed를 접촉 시킨 후, 회전시키면서 위로 끌어 올리면, [100] 방향으로 생성된 Si 잉갓이 끌어올라오게 됩니다. 이 Si Seed를 제조할 수 있는 업체는 일본에서 2~3곳 밖에 되지 않습니다. 물론 우리나라에서는 Seed, 잉갓 등을 제조할 수 있는 능력이 없고, Seed 견본은 우리나라에 한개가 있는 것으로 알고 있습니다. 이 Si 용융체는 최고 5N (99.999%) 까지밖에 순도 보증이 되지 않는데, Zone Refining 으로 7~9N까지의 순도화가 가능합니다. 이 Zone Refining은 극세사를 뽑을 때 Annealing 과정 전에 행하게 되기도 합니다. Wire Bonding 과정에서 또 나올 수 있겠지요.


ingot과 seed와의 접합부. 올리다 끊기면 환장합니다.


6인치 ingot 추출 중.


ingot.

일단 이 잉갓은 초기 2인치(60mm) 웨이퍼에서부터 시작하여 현재 300mm 웨이퍼까지 있는데, 현재까지도 연구 목적으로 60mm 웨이퍼가 쓰이고, 동부 하이텍에서는 ASIC 제조용으로 100mm 웨이퍼를 씁니다. 일반적으로 현재 웨이퍼 직경의 추세는 피자 크기를 따라가는 것으로, 현재 연구중인 18인치 450mm 웨이퍼도 엑스트라 라지 사이즈 피자 크기와 비슷하다고 알려져 있습니다. 이 18인치 잉갓을 성장 시키기에는 Seed와 잉갓의 연결부의 강화가 필요하며, 현재 18인치 잉갓에 대한 학술회도 국내에 매번 열렸습니다.

일단 잉갓이 추출되면, 겉을 균일화 시키기 위해 살짝 깎게 됩니다. 이렇게 깎인 잉갓은 다이아몬드 sawing을 하게 되는데, 일반적으로 웨이퍼 한개의 두께는 700 마이크로 미터 정도로 절단하게 됩니다. 절단 시에는 공업용 다이아몬드가 묻어있는 실로 절단하게 되며, 절단 후 웨이퍼의 가장자리는 모서리가 있으면 Sawing 중 잘 깨지기 때문에, 둥글게 라운딩 처리를 해 주게 됩니다. 다리를 아치형으로 만들어 충격을 분산하는 것과 같은 원리 입니다.

라운딩 처리 웨이퍼. 회로가 그려지는 쪽은 저렇게 표면 보호를 하기 위해 테이프를 붙여 놓는데, 이 테이프도 여러가지 종류가 있습니다. Attach 부문에서 생각나면 보겠습니다.

 그러나 이정도 두께로는 너무 두꺼워 리쏘그래피 과정에서 회로 생성이 어렵고, 최종적으로는 패키징의 소형화에 대해 난항을 겪에 될 수 있습니다. 그래서 웨이퍼를 받는 업체에서 웨이퍼를 가능한한 아주 얇게 깎게 되는데, 이 과정을 Back Grinding이라 하며, 칩을 만든 후 뒤집에서 substrate에 장착 하는 것을 Flip-chip이라 하는데 이렇게 되면 우리가 보는 면은 실제로 웨이퍼에서 회로가 그려지지 않은 배면을 보게 되는 겁니다. 그러나 700 마이크로 미터 이하로 잘라 버리면, 운송 중에 파손 등의 문제가 생길 수 있습니다.

백그라인더.

 일단 700 마이크로미터로 잘린 웨이퍼는, 일반적으로 3~5 단계로 나뉘는 백그라인딩을 하게 되는데, 이 제품도 우리나라에서의 사용품은 일본에서 전량 제조하고 있습니다. 원형으로 백그라인딩을 하기 때문에 플립칩을 하는 칩에서는 우리가 보는 면에 원형 무늬가 새겨지기도 합니다.

백그라인딩 뒤의 무늬. 실제로는 무수히 많습니다.


자세히 보시면 백그라인딩 무늬가 보입니다. (그런데 지금보니 백 그라인딩으로 생긴 것 같지 않음)

이렇게 깎이는 웨이퍼들은 200~300 마이크로미터 정도로 깎일 때부터 백그라인딩 시의 열과 급격한 백 그라인딩 단계 변경 같은 요인으로 인해 warpage 현상이 생깁니다. Si로 구성된 웨이퍼가 휘어지는 것으로, 서부 카우보이 모자같이 말리게 됩니다. 우리나라에서 현재 상용화된 웨이퍼 두께는 50 마이크로 미터 정도까지로, 2008년 10월 현재 연구는 20 마이크로미터 정도까지 되고 있으며 해외에는 5 마이크로미터까지 상용화가 되어 있습니다. 대략적으로 50마이크로 미터 이하의 두께가 되면 반대편이 비칠 정도가 됩니다.


5 마이크로 미터 두께의 웨이퍼.

Warpage가 생기는 이유는, 위에 언급했던 것과 같이 백그라인딩 시에 열 팽창의 차이로 인해 생기는 것으로, 예방책으로는 열이 나지 않게 느리게 백그라인딩을 하거나, 반대편에 테이프를 붙여 warpage를 방지하는 방법이 있습니다. 급격한 백 그라인딩으로 인해 warpage가 생기므로, 또한 위에 언급했던 것과 같이 거칠기가 다양한 단계를 가지고 있는 백 그라인더 기기로 천천히 다단계로 갈아버린다면 warpage를 상당히 없앨 수 있습니다. 웨이퍼 배면의 보호 테이프를 생산하는 업체는 Henkel 이라는 독일 회사가 있습니다. Die attach 용 접착제/접착 테이프 제조도 합니다. (기본적으로 접착 방식은 세가지가 있습니다.)


열로 인해 warpage가 생긴 웨이퍼(오른쪽)

Wafer Sawing

웨이퍼에 Lithography를 마친 후에는 웨이퍼 상의 Die 들을 Dice로 나누어야 합니다. 이때의 과정을 Wafer Sawing이라고 부르게 됩니다.


Sawing Machine.

저렇게 웨이퍼를 놓고, 옆의 다이아몬드 블레이드로 Sawing(톱질) 을 하게 됩니다. 저 다이아몬드 블레이드도 우리나라가 사용하는 제품은 거의 전량 일본 제품으로, 이것도 일본에서 제작하는 업체가 6개 업체 정도 됩니다. 이 다이아몬드 블레이드는 전기 도금으로 만들어진 니켈 금속의 형태인데, 미쿡에서도 만들긴 하지만 우리나라 반도체 업계에서는 '일제가 최고' 라는 고정관념이 박혀 있다고 합니다. CTO/CEO 급 임원분들 만이 아니라, 30세 전후의 대리/과장급 분들도 이런 의식이 있으니 안타깝다고 강의 오신 한분이 말씀 하셨습니다. 이 다이아몬드 블레이드에서의 알갱이 크기가 굵을수록 거칠게/빠르게 잘리고 수명에 유리하지만 이게 훨씬 깨짐에 약한 지점을 잘 만들게 됩니다. Laser로 자르는 방법이 있지만, 전자 현미경으로 보면 오히려 laser cut이 표면이 거칠게 보입니다. 그러나 품질은 Laser cut이 훨씬 좋습니다. 이 부분에 대해서는 국내 기업에서는 연구중이라고 합니다.

이 Sawing이 중요해진 이유는, Low-k 물질이 미래의 추세가 됨에 따라 반도체 웨이퍼의 물리적 특성이 아주 취약해지기 때문에 이에 따라 Sawing 기술이 더욱 필요하게 됩니다.

저 다이아몬드 Saw는 최고 2십만 rpm, 일반적으로 5만 rpm 정도로 회전하면서 웨이퍼를 자르게 됩니다. 자르는 속도는 그냥 300mm 횡단하는데 1초가 안걸리는 정도 입니다. 고속의 rpm으로 돌아가기 때문에 Saw에 직접 물을 분사하여 열을 식히는데, 한쪽으로만 물을 분사하면 Saw가 한쪽으로 치우쳐서 Sawing 불량이 나게 됩니다. 그러므로 양쪽으로 모두 물을 분사하게 되는데, 이 기술도 우리나라에서는 아직 제조가 안되고 있어 이 Sawing Machine도 전량 해외(일본) 제품이 됩니다. 전기가 통하지 않고 있는 반도체이기 때문에 물이 떨어져도 그다지 상관은 없습니다.

Sawing Machine. 저 물방울이 맺혀 있는 곳이 Sawing 되는 곳.

다이아몬드 Saw도 현미경으로 보면 울퉁불퉁 하기 때문에, 저런 고 rpm으로 웨이퍼를 잘못 자르게 되면 웨이퍼에 크랙이 생겨 Lithography된 칩을 부실 수 있습니다. 그러므로 웨이퍼에 그려지는 Dice 들은 어느정도 간격을 두고 제작되며, 그 간격에서 칩 간에 레이져로 살짝 도랑을 파게 됩니다. 각기 칩 최외각에 도랑을 (groove) 파놓음으로써, Sawing 시에 크랙이 생겨도 이 도랑까지만 생겨서 Dice 들을 보호할 수 있게 됩니다.

할 얘기는 많지만 표현을 못해 일단은 여기까지 Wafer는 끝내구요.

다음으로써는

- P/N (저항/다이오드/트랜지스터/사이리스터/등등등)
- 리쏘그래피
- Sawing
- Die Attach
- Wire bonding/bumping
- EMC/Flipchip/etc. 패키징

등등이 있는데 어째 할지는 모르겠근영.