Wafer 제조공정

Wafer란?

-. 반도체 집적 회로의 원재료로 사용되는 실리콘 단결정으로 된 원파 모양의 얇은 기판

-. 빛을 쬐거나 불순물 가스를 확산시키는 가공법

-. 트랜지스터, 저항, 콘덴서 등의 부품을 만들고 회로를 구성

 

Wafer 제조공정이란?

-. 모래에서 추출된 실리콘으로부터 고순도 단결정 실리콘 Wafer를 만들어 내는 과정

-. 3인치, 4~5인치, 6인치, 8인치, 12인치까지 Wafer의 구경이 증가하는 추세

-. Wafer당 생산되는 IC칩 수를 증가시킬 수 있으므로, 제조비용을 줄일 수 있음

-. 실리콘 원석 → 결정 성장로 → 석영도가니 → 결정 성장 → 정봉(Ingot) → 결합 시험
    → Ingot절단 → 테두리 연마 → Wafer 평탄화 → Wafer 식각 → Wafer 세정 → Wafer 완성

-. 실리콘 원석을 녹여서 결정 성장시키고, 이것을 봉처럼 둥글고 굵은 막대형태로 만드는 것을 Ingot이라고 함. Ingot이 만들어지면 이것을 절단하여 평탄화시키고, 세정하여 만들게 되는 것이 Wafer

 

Wafer 제조과정 5단계

-. Ingot growing → Shaping → Polishing → Wafer epitaxial processing → Cleaning

 

Wafer 제조과정 5단계 - 1/5. Ingot growing 단계

-. Preparation of charge → Melting → Dipping → Necking → Shouldering → Body growth → Tailing → Cool-down → Ingot removal → Evaluation

-. Preparation of charge: Growth chamber에 넣어서 단결정을 성장시킬 수 있는 원/부재료를 준비하고 관리하는 작업

-. Melting: 앞단계에서 Stacking한 Poly Silicon이 완전히 녹아서 액체 상태가 되는 것

-. Dipping: Poly Silicon이 완전히 녹은 Melt 상태에서 종자(Seed)를 접촉시키는 작업. Melt에 Seed를 담그면, Seed 주위에 밝은 환형이 나타나는데, 이것을 Meniscus라고 부름

-. Necking: Single Crystal에 결함이 발생하지 않도록 Seed를 따라 성정하는 Crystal의 직경을 최대한 줄이면서 끌어올리는 작업. 훌륭한 Necking은 Crystal(Zero-Defect)을 성장시킬 수 있는 가장 중요한 기본임

-. Shouldering: 목적하는 결정직경(Dia-Meter)까지 Crystal를 확장시키는 작업

-. Body growth: Shouldering 작업 공정에서 목적하는 결정 직경만큼 커졌을 때, 그 결정을 그대로 계쏙하여 목적하는 길이까지 유지함. Structure Loss 주의

-. Tailing: Body growth를 진행할 수록 Crucible 내부의 Melt가 점점 줄어들게 되며, 나중에는 Ingot과 Melt를 분리시켜야 함

-. Cool-down: Tailing 완료 후 성장시킨 Ingot과 Crucible를 냉각시키는 작업. 중요 제어변수: 냉각방법, 냉각 시간, 결정의 냉각 위치

-. Ingot Removal: 냉각이 끝난 Ingot을 Ceramic 가위로 Necking한 부분을 잘라서 Grower Chamber로부터 제거하는 작업

-. Evaluation: Ingot의 품질을 평가하기 위하여 Sample을 채취하는 공정. Ingot 중에서 제품화되지 않는 부분인 Tail, Shoulder, Slip 등의 부분을 절단하고 산소, 비저항, 탄소 농도 등을 측정하여 평가함

 

 

Wafer 제조과정 5단계 - 2/5. Shaping 단계

-. Ingot mounting → Slicing → Slice washing → Edge grinding → Slice evaluation → Laser marking sorting → Lapping → Lap washing → Etching → Etched wafer cleaning → Heat treatment → Soft backside damage → Edge polishing → Edge polishing cleaner

-. Ingot mounting: Work Plate 위에 Carbon Beam 또는 Poly Urethane Epoxy Resing을 접착하고, 그 위에 Ingot을 Epoxy 또는 Bond를 이용하여 접착시키고, Ingot의 절단 시 발생할 수 있는 Exit Edge Chip을 방지하고 일정한 상태로 절단될 수 있도록 하는 공정

-. Slicing: Ingot을 잘라서 Wafer형태로 만들어주며, 일정한 두께로 절단하는 것이 중요함. 2가지 작업 방법이 있는데, I.D. Saw와 Wire Saw를 이용한 절단 방법으로 구분

-. Edge grinding: Slicing 작업 후 Wafer Edge 부분이 매우 날카롭게 되어 있음. 그래서 후공정 진행 시 Edge에 발생할 수 있는 Chip이나 Broken을 방지하여, Device 수율 저하요인을 제거할 목적으로 Wafer의 Edge 부분을 둥글게 연삭가공하는 공정

-. Slice evaluation: Wafer의 정확한 치수, Micro chip 등 쉽게 식별되지 않는 결함들을 검사를 통해 걸러냄

-. Laser marking sorting: Lapping 하기 전에 Wafer를 두께별로 분류하며 LOT관리를 위해 Laser marking 하는 것

-. Lapping: Wafer를 전체적으로 매우 편평하게 가공하여 두께를 일정하게 하고, Slicing에서 발생된 Saw Mark를 제거하고 Scratch 등 결함이 없는 Wafer로 가공하기 위하여 적절한 입자크기를 가진 연마제(Slurry)를 사용하여 목적하는 만큼 갈아내는 공정

-. Lap washing: 불균일 식각이 일어나지 않도록 잔존물을 제거하여 Wafer 표면을 깨끗이 세정하는 공정. 초순수(Dia-Water)를 사용함

-. Etching: 이전 Step을 거치면서 Wafer 표면 또는 Edge에 기계적 결함을 가지게 됨. 이 표면의 결함 층을 기계적 방법이 아닌 화학적 식각을 통해 제거해 주는 공정. Silicon wafer의 식각은 주로 혼합산을 사용함

-. Etched wafer cleaning: Etching이 끝난 Wafer는 표면이 약간 푸른색을 나타내는 Blue Stain을 가지고 있으며, 이것은 Boron의 산화물 또는 Lapping 연마제의 잔존물로 생각됨. 후공정에서 Blue Stain을 세정하지 않고 열처리 공정을 하게 되면 표면에 잔존하는 금속성분이 열처리 과정에서 Bulk 쪽으로 파고들어 내부 결함이 될 수 있으며, 세정공정에서 제거되지 않고 표면 결함 가능성 있음. 이를 방지하기 위하여 Etched Wafer를 세정 후 후공정으로 흘러 보내는 Etch wafer cleaning 공정을 실시함

-. Edge polishing: Edge Grinding 공정에서 발생한 Edge 부분은 매우 거친 면을 형성함. 이는 Particle이 Device 수율에 큰 영향을 주기 때문에 Particle 발생을 억제하기 위하여 Edge면의 경면 연마가 요구되어 짐. 이 공정은 200mm이상의 Wafer에 대한 고집적화 대응 기술로 자리 잡음

-. Edge polishing cleaner: Chemical을 사용하여 불순 금속물들을 제거함. Etch cleaning 공정과 동일한 구성

 

 

Wafer 제조과정 5단계 - 3/5. Polishing 단계

-. 마찰에 의해서 표면을 부드럽고 광택을 나게 하는 것. 광원에 의한 굴절이 산란되는 결정표면을 거울 같은 반사표면으로 만들어 주는 것

-. Chemical로 Etching된 Wafer의 표면은 경면 연마 공정에서 평탄하고 Damage가 없는 경면으로 가공됨

-. Wafer polishing: 4~5단계를 통해 이루어지며, 각 단계는 한 Model로 구성 #1. Block Cleaning은 Mounting될 블록을 회전시키면서 세척. #2. Steam pot은 Wax를 도포한 블록을 Hot Plate를 이용하여 경화시킴. #3. Vaccum chamer는 진공 Chamber 내에서 압력으로 Wafer를 Wax 도독한 블록 위에 붙이는 것 #4. Polishing은 일반적으로 Rough Polishing과 Finish Polishing 두 단계로 나누어 연마하게 되어 약 20mm 정도 Remoral 시켜 평탄하게 연마하고, 1차 Polishing 후 평탄한 Wafer 표면을 더욱 미세하게 약 0.5mm정도 Remoral 시계 평탄도와 표면 반소를 높임

 

 

Wafer 제조과정 5단계 - 4/5. Wafer epitaxial processing 단계

-. Epitaxy는 특별한 종류의 박막 증착법

-. 고온에서 단결정 실리콘 위에 수증기로부터 단결정 실리콘 층을 성장시키는 것

-. 성장목적: 표면 위에 일반적으로 전기적으로 활동하는 낮은 농도의 불순물의 층을 형성하기 위한 것

 

 

Wafer 제조과정 5단계 - 5/5. Cleaning 단계

-. Pre cleaning → Spin dry → DSS → AIS → MIS → Packing

-. Pre cleaning: Dewaxing 공정이라고도 부름. 공정의 목적은 Wafer의 표면의 세정을 통하여 다음 공정에서 발생할 수 있는 문제 발생을 막기 위함

-. Spin dry: 원심력을 이용한 장비를 사용하여 빠른 속도로 회전하여 Wafer 표면의 물기를 제거함

-. DSS: Double side scrubber. Wafer가 암모니아 원액 및 초순수로 불순입자를 씻겨나가게 하는 작업. 아주 청정한 작업환경이 요구됨. 청정실 내에서 컴퓨터로 제어함

-. AIS: Automatic Inspection Station. 레이져 빔을 이용하여 육안으로 식별되지 않는 미세한 불순입자를 개수와 분포를 검사하여 Wafer의 합격, 불합격 여부를 판정함

-. MIS: Manual Inspection Station, visual inspection. Wafer 결함을 작업자가 육안으로 검사하여 불량 여부를 판정함

-. Packing: 생산 완료된 제품을 고객에게 오염 및 습기 없이 전달 될 수 있도록 알루미늄 Bag으로 진공포장하여 사용함