In this video, we help you understand the semiconductor industry, which is interconnected and constantly evolving within the enormous semiconductor ecosystem. Today, let's learn about the essential semiconductor manufacturing processes.
In the first episode, we talked about silicon, the main material used to make semiconductors. In order for silicon to turn into a semiconductor chip, it needs to go through the essential processes of wafer manufacturing, oxidation, photolithography, etching, deposition, ion implantation, metal wiring, EDS, and packaging. Let's take a closer look at these processes.
Semiconductors are stacked high and solid to form a complex structure, similar to a high-rise building. Constructing a building starts with the foundation. A wafer is the foundation for the semiconductor. Most wafers are made of silicon extracted from sand. How can these tiny grains of sand become a wafer?
First, sand is heated until it melts into a high-purity liquid and then solidifies through crystallization. The resultant silicone rod is called an ingot. These ingots are sliced into thin discs, called wafers. The surface of sliced wafers is rough and contains defects, so polishing machines are used to smooth the surface. The reason for this is that defects on the surface could negatively affect the precision of circuits.
If you look at a photo of wafers, you can see a grid pattern on the surface. Yes, the word "wafer" comes from "biscuit wafers." A wafer made this way is the main material for semiconductors because the larger the diameter, the greater the number of chips that can be produced per wafer. As a result, the diameter of wafers is becoming larger.
However, the resultant thin, disc-shaped wafer is not conductive yet, so a process to make wafers semiconductive is required. First, wafers go through the oxidation process. Oxygen or water vapor is sprayed on the wafer surface to form a uniform oxide film. This oxide film protects the wafer surface during the following processes and also blocks current leakage between circuits. The film acts as a strong protective shield. Now the foundation is ready.
The building-up process begins. Just as you draw blueprints to build a building, you draw a circuit design onto a wafer, which is called the photolithography process. It is called "photo" for short because it is similar to developing a photo taken with a film camera. With semiconductors, a photo mask functions as the film. A photo mask is a glass substrate with a computer-designed circuit pattern.
In order to draw the circuit on the wafer, a photoresist—a material that responds to light—is applied thinly and evenly on the oxide film previously placed on the wafer. When light transfers the pattern from the photo mask, the circuit is drawn on the wafer surface, just like developing a photo. A circuit pattern is imprinted on the wafer by spraying developer and removing unlit areas from the areas that were exposed to light. After inspecting the wafer to check whether the pattern is drawn well, it moves on to the next step.
Now, unnecessary materials are carved out so that only the design pattern remains. Using a liquid or gas, etching removes unnecessary materials selectively to draw the desired design. When chemical solutions are used for etching, it is called wet etching. When gas or plasma is used, it is called dry etching. We will talk about these details in the future.
Let's imagine constructing a building on a semiconductor chip smaller than a fingernail and thinner than a sheet of paper. The photolithography and etching processes are repeated several times on the wafer, layer by layer. Here, an insulating film that separates and protects the stacked circuits is required. It is called a thin film coating.
The thin film is applied at a desired molecular or atomic level onto the wafer, a process called deposition. Since the coating is so thin, precise and sophisticated technology is required to uniformly apply the thin film on a wafer to give the semiconductor electrical characteristics. Ion implantation is also required. A semiconductor made of silicon does not conduct electricity, but by adding impurities, it conducts current and has conductive properties.
In summary, through the wafer manufacturing, oxidation, photolithography, etching, deposition, and ion implantation processes, the wafer becomes conductive, and numerous circuits are drawn on it. Now, in order for these circuits to work, an electrical signal must be applied. It is necessary to create a path for electricity to pass through according to the circuit pattern. This process is called the metal wiring process. It is the process that allows electricity to flow by depositing a thin metal film using materials such as aluminum, titanium, or tungsten, so that electricity can pass through the semiconductor.
The chip manufacturing processes are now coming toward completion. The next step is EDS, the process of testing to ensure flawless semiconductor chips. In other words, it is a testing step to sort out defective chips. Yield is the percentage of prime chips relative to the maximum chip count on a single wafer.
The semiconductor chips selected through the EDS process are made into a form suitable for devices. This is the last process: the packaging process. The wafer completed through the previous steps is cut into individual semiconductor chips that can be loaded onto an electronic device.
An individual chip must have a path to exchange electrical signals with the outside and have a form to protect it from various external elements. The wafer is cut into individual chips, and the diced or sawed chips are placed on the PCB board. In the bonding step, the contact point of the semiconductor chip placed on
이 비디오에서는 거대한 반도체 생태계 내에서 서로 연결되고 지속적으로 발전하는 반도체 산업에 대해 이해하는 데 도움을 주고자 합니다. 오늘은 반도체 제조 과정의 필수적인 단계들에 대해 알아보겠습니다.
첫 번째 에피소드에서는 반도체를 만드는 주요 재료인 실리콘에 대해 이야기했습니다. 실리콘이 반도체 칩으로 변환되기 위해서는 웨이퍼 제조, 산화, 포토리소그래피, 식각, 증착, 이온 주입, 금속 배선, EDS, 패키징 등의 필수적인 과정을 거쳐야 합니다. 이제 이러한 과정들을 자세히 살펴보겠습니다.
반도체는 고층 건물처럼 복잡한 구조를 형성하기 위해 높고 단단하게 쌓입니다. 건물을 짓는 것과 마찬가지로, 건설은 기초부터 시작됩니다. 웨이퍼는 반도체의 기초입니다. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 실리콘으로 만들어집니다. 어떻게 이렇게 작은 모래 알갱이들이 웨이퍼가 될 수 있을까요?
먼저, 모래를 가열하여 고순도 액체로 녹인 후, 결정화 과정을 거쳐 고체로 굳힙니다. 이때 생성된 실리콘 봉을 인곳(ingot)이라고 합니다. 이 인곳은 얇은 원반 모양으로 잘려 웨이퍼가 됩니다. 잘린 웨이퍼의 표면은 거칠고 결함이 있기 때문에 표면을 매끄럽게 하기 위해 연마 기계가 사용됩니다. 이는 표면의 결함이 회로의 정밀성에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.
웨이퍼 사진을 보면 표면에 그리드 패턴이 보입니다. 그렇습니다, "웨이퍼"라는 단어는 "비스킷 웨이퍼"에서 유래했습니다. 이렇게 만들어진 웨이퍼는 반도체의 주요 재료로, 웨이퍼의 지름이 클수록 하나의 웨이퍼에서 더 많은 칩을 생산할 수 있습니다. 그 결과, 웨이퍼의 지름은 점점 더 커지고 있습니다.
하지만 이렇게 얇고 원반 모양의 웨이퍼는 아직 전도성이 없으므로 웨이퍼를 반도체성으로 만드는 과정이 필요합니다. 먼저, 웨이퍼는 산화 과정을 거칩니다. 산소나 수증기가 웨이퍼 표면에 뿌려져 균일한 산화막을 형성합니다. 이 산화막은 이후 과정에서 웨이퍼 표면을 보호하고 회로 간의 전류 누설을 차단하는 역할을 합니다. 이 막은 강력한 보호막 역할을 합니다. 이제 기초가 준비되었습니다.
이제 건축 과정이 시작됩니다. 건물을 짓기 위해 설계도를 그리듯이, 웨이퍼에 회로 설계를 그리는 것이 바로 포토리소그래피 과정입니다. "포토"라는 이름은 필름 카메라로 찍은 사진을 현상하는 것과 유사해서 붙여진 이름입니다. 반도체에서는 사진 마스크가 필름의 역할을 합니다. 사진 마스크는 컴퓨터로 설계된 회로 패턴이 있는 유리 기판입니다.
웨이퍼에 회로를 그리기 위해서는 광감응성 물질인 포토레지스트를 균일하게 얇게 웨이퍼의 산화막 위에 도포합니다. 빛을 이용해 사진 마스크에서 패턴을 전사하면 회로가 웨이퍼 표면에 그려지는데, 이는 마치 사진을 현상하는 것처럼 이루어집니다. 포토레지스트는 현상액을 뿌려 빛에 노출된 부분을 제외한 부분을 제거하면서 회로 패턴을 웨이퍼에 각인시킵니다. 패턴이 잘 그려졌는지 웨이퍼를 점검한 후, 다음 단계로 넘어갑니다.
이제 불필요한 물질을 제거하여 설계된 패턴만 남도록 해야 합니다. 액체나 기체를 이용해 식각을 통해 불필요한 물질을 선택적으로 제거하여 원하는 설계를 그립니다. 화학 용액을 이용한 식각은 습식 식각(wet etching), 가스나 플라즈마를 이용한 식각은 건식 식각(dry etching)이라고 부릅니다. 이 부분은 추후에 더 자세히 다루겠습니다.
손톱보다 작은 반도체 칩 위에 건물을 짓는 과정을 상상해 보세요. 포토리소그래피와 식각 과정은 웨이퍼 위에 여러 번 반복되어 층층이 쌓입니다. 여기서 회로를 분리하고 보호하는 절연막이 필요합니다. 이것이 바로 박막 코팅입니다.
박막은 원하는 분자나 원자 수준으로 웨이퍼 위에 증착되는 과정입니다. 이 과정을 증착(deposition)이라고 부릅니다. 박막이 매우 얇기 때문에 웨이퍼에 균일하게 적용하려면 정밀하고 정교한 기술이 필요합니다. 또한 이온 주입도 필요합니다. 실리콘으로 만든 반도체는 전기가 흐르지 않지만, 불순물을 첨가하여 전기가 흐르도록 만들어 전도성 특성을 가질 수 있습니다.
요약하자면, 웨이퍼 제조, 산화, 포토리소그래피, 식각, 증착, 이온 주입 과정을 거쳐 웨이퍼는 전도성을 가지게 되고, 그 위에 수많은 회로가 그려집니다. 이제 이 회로들이 작동하기 위해서는 전기 신호가 입력되어야 합니다. 회로 패턴에 맞게 전기가 흐를 수 있는 경로를 만들어야 합니다. 이 과정이 바로 금속 배선 공정입니다. 이는 전기가 반도체를 통해 흐를 수 있도록 알루미늄, 티타늄, 텅스텐 등 금속 물질을 이용해 얇은 금속 필름을 증착하는 과정입니다.
이제 칩 제조 과정이 거의 완료되었습니다. 다음 단계는 EDS, 즉 결함이 없는 반도체 칩을 검사하는 과정입니다. 즉, 불량 칩을 선별하는 테스트 단계입니다. 수율(yield)은 웨이퍼 한 장에서 최대 칩 개수에 대해 정상적인 칩의 비율을 의미합니다.
EDS 과정을 거쳐 선택된 반도체 칩은 장치에 적합한 형태로 만들어집니다. 이것이 바로 마지막 과정인 패키징 과정입니다. 이전 과정들을 거쳐 완성된 웨이퍼는 개별 반도체 칩으로 절단되어 전자 기기에 장착될 수 있게 됩니다.
각각의 칩은 외부와 전기 신호를 교환할 수 있는 경로를 가지고 있어야 하며, 다양한 외부 요소로부터 보호할 수 있는 형태를 가져야 합니다. 웨이퍼는 개별 칩으로 절단되고, 절단된 칩은 PCB 보드에 장착됩니다. 이후 본딩 공정에서는 반도체 칩이 올려진 접촉 지점에 전기 신호를 연결하는 작업이 진행됩니다.