베어웨이퍼

베어웨이퍼(Bare wafer)

베어웨이퍼(Bare wafer)는 가공 전의 아직 옷을 입지 않은 상태라는 뜻의 얇게 자른 웨이퍼를 말한다. 이 베어웨이퍼의 표면은 울퉁불퉁하고 거칠기 때문에 바로 회로를 인쇄할 수 없다. 따라서 절단 시에 손상된 표면은 랩핑(lapping) 및 화학적 에칭(etching) 공정으로 제거하고, polishing 공정으로 거친 웨이퍼 표면을 매끄럽게 갈아준 후 남은 오염물질을 cleaning으로 제거하면 드디어 반짝거리는 웨이퍼가 완성된다.

웨이퍼는 순수 실리콘 물질이다보니 쉽게 산화되는데, 이 때문에 베어웨이퍼는 겉표면을 살짝 산화시킨 상태로 진공 포장되어 배달되는 경우가 많다. 이후 클린룸에 도착하면 포장을 뜯고 사용한다.

개요

가장 널리 쓰이는 실리콘 소재를 기준으로, 웨이퍼를 만들기 위해서는 먼저 원통 모양의 실리콘 단결정체인 잉곳(ingot)을 만들어야 한다. 실리콘 결정은 다결정 또는 단결정 상태로 존재하는데, 단결정은 실리콘 결정이 일정한 방향으로 정렬되어 있는 반면 다결정은 결정들의 방향이 일정치가 않다. 단결정이 반도체로서의 특성이 훨씬 좋지만 만들기가 까다롭다. 실리콘을 열로 녹여 액체상태를 만들고 증류를 통해 순도를 최대한 높인다. 반도체 공정이 점점 미세해지고 있기 때문에 그에 따라 실리콘의 순도도 점점 더 높아질 것을 요구하고 있다. 이제 다결정 액체 실리콘으로부터 단결정 고체인 잉곳의 모양을 만들어야 하는데, 널리 쓰이는 공법은 초크랄스키(Czochralski, Cz) 공법으로, 도가니 안에서 실리콘을 녹이고 그 위에 종자 구실을 하는 단결정 실리콘을 올린 다음 천천히 위로 끌어올리면 용액이 종자 결정에 붙으면서 식어서 굳어 따라올라가서 단결정 원통이 만들어진다.

만들어진 잉곳을 식힌 후 다이아몬드 톱으로 얇게 잘라내고 연마액과 연마장비로 표면을 거울처럼 매끄럽게 연마하면 웨이퍼가 만들어진다. 이 역시 반도체 공정 미세화에 따라 더욱 더 미세한 굴곡 없이 매끄럽게 연마해야 한다. 여기에 이후 공정에서 정확한 위치를 맞출 수 있도록 가장자리를 약간 잘라내는데, 원 모양의 한쪽을 잘라 직선 모양으로 만드는 플랫존(flat zone), 또는 원의 한 귀퉁이에 V자 모양으로 홈을 파는 노치(notch)를 사용한다. 노치 쪽이 잘라내는 면이 적어 손실도 적으므로 노치를 많이 쓰는 추세다. 일단 여기까지 만들어진 것을 베어웨이퍼(bare wafer)라고 한다.

흔히 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치)와 같은 용어들을 쓰는데, 웨이퍼의 지름을 뜻한다. 웨이퍼의 지름이 크면 클수록 웨이퍼 한 장으로 만들 수 있는 칩의 수가 제곱으로 늘어나기 때문에 원가를 절감할 수 있지만 지름이 클수록 균일한 단결정 잉곳을 뽑아내기가 힘들어진다. 더욱 크기가 큰 웨이퍼를 만들려는 기술 개발은 계속 이어지는 중이다. 또한 웨이퍼가 얇을수록 같은 잉곳 하나에서 얻을 수 있는 웨이퍼의 장수가 많아지지만 그만큼 충격에 약하고 가공하기가 까다로워지므로 수율이 떨어지기 쉽다.

베어웨이퍼 제조 과정

• 잉곳 성장(Ingot Growth): 고순도 실리콘을 초크랄스키(Czochralski) 공정을 통해 단결정으로 성장시킨다. 이 과정을 통해 실리콘 결정 구조의 무결성을 확보하고 웨이퍼로 가공할 수 있는 형태로 만든다.

• 잉곳 절단(Ingot Slicing): 단결정 실리콘 잉곳을 얇게 슬라이스하여 웨이퍼 형태로 만든다. 이 과정에서는 웨이퍼의 두께와 평탄도를 일정하게 유지하기 위해 정밀한 절단 기법을 사용한다.

• 연마 및 세척(Polishing and Cleaning): 절단된 웨이퍼의 표면은 매우 매끄럽게 연마되며, 이를 통해 원자 단위 수준의 표면 평탄도와 결함 없는 표면을 얻는다. 이후 다양한 세척 공정을 통해 이물질을 제거하고 반도체 공정에 적합한 상태로 준비한다.

베어웨이퍼의 특성

• 순도: 베어웨이퍼는 높은 순도의 실리콘으로 이루어져 있으며, 불순물이 매우 적어야 한다. 순도가 높은 웨이퍼일수록 고품질 반도체 소자를 제조할 수 있다.
• 표면 품질: 반도체 공정에서 높은 평탄도와 낮은 결함 밀도가 요구된다. 따라서 베어웨이퍼는 표면 품질 관리가 매우 중요하다.
• 직경: 현대 반도체 제조에서는 다양한 직경의 베어웨이퍼가 사용된다. 초기에는 100mm(4인치)에서 시작하여, 현재는 주로 300mm(12인치) 웨이퍼가 사용된다. 연구 목적으로는 450mm 직경 웨이퍼도 개발되고 있다.

참고자료

• 〈웨이퍼〉, 《내위키》
• 램리서치코리아, 〈<LamTechBrief: 반도체 8대 공정> 모래에서 시작된 ‘반도체 웨이퍼’〉, 《네이버 블로그》, 2020-06-12
• 〈1탄, ‘웨이퍼’란 무엇일까요?〉, 《삼성반도체》, 2017-04-06

같이 보기

• 웨이퍼
• 실리콘웨이퍼
• 잉곳
• 집적회로

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