반도체 장비&공정 이해

1. FAB (Fabrication Facility)
   FAB은 반도체 장비가 설치되어 양산이 이루어지는 공간을 말한다. wafer가 이동하며 실제 공정이 이루어지는 Clean Fab은 제품의 오염을 줄이기 위해 마이크로 단위의 파티클 오염을 관리하는 Clean Room으로 구성된다. FAB 하부에는 펌프, 칠러, 스크러버 등 부대장치가 배치된 Clean Sub Fab이 있고 이곳에서는 공정에 사용될 화학물질 및 고압 가스, 유체 케미컬 등을 보관한다.
2. 반도체 장비
   반도체 장비는 플라즈마 장비, 화학 장비, 이송 장비 등으로 나뉜다. 플라즈마 장비는 미세화 공정에 필수적이고 공정이 원활히 진행될 수 있도록 주요부(ex: 챔버)와 주변부로 나뉜다. 이송 장비는 웨이퍼를 공정 장비 간에 이동시키는 역할을 하고 물리적 충격을 최소화하고 대규모 공장의 효율성을 높인다.
3. 광학 장비
   광학 장비는 반도체 제조에서 중요한 역할을 함. 포토 공정에서 사용되는 대표적인 노광 장비로 Aligner, Stepper, Scanner가 있다. 특히 파장이 짧은 빛을 사용하면 더 많은 칩을 생산할 수 있으며, EUV(Extreme Ultraviolet)는 매우 짧은 파장을 사용해 미세한 패턴을 형성한다.
   

4. 플라즈마 장비
   플라즈마 장비는 여러 반도체 공정에서 사용된다. 특히 미세화된 반도체를 구현하기 위해서는 플라즈마 장비의 발전이 필수적인데, 챔버에서 실제 공정이 이루어지고 주변부는 공정이 원활하게 진행되도록 지원한다. 플라즈마 장비에는 다양한 모듈들이 포함되어 있다. 각 모듈은 공정의 효율성과 정밀도를 높이는 데 중요한 역할을 한다. 가스 모듈에서는 MFC가 가스의 유량을 제어하고 Vapourizer가 Precursor를 생성하여 반도체 증착 공정에 사용된다. 압력 모듈에서는 Gauge가 압력을 측정하고 Valve가 압력을 조절하며 Sealing이 챔버 내부를 밀폐하여 안정적인 공정 환경을 유지한다. 척킹 모듈에서는 ESC가 웨이퍼를 고정하고 Heater가 공정에 필요한 열을 제공함으로써 공정의 정확성을 보장한다.
   
   
   
5. 이송 장비
   이송 장비는 반도체 제조 공정에서 웨이퍼를 장비 간에 이동시키는 중요한 역할을 한다. 대표적인 이송 장비로 OHT 장비가 사용된다. OHT 장비는 칩을 만들기 위해 웨이퍼를 공정 장비 간에 안전하게 이동시키는 데 도움을 주고 물리적 충격을 최소화하고 대규모 공장에서의 공정 효율성을 크게 증가시킨다. EFEM은 wafer를 챔버로 안전하게 이송하는 데 사용된다. EFEM은 웨이퍼가 오염되지 않도록 보호하며, 정밀한 이송을 가능하게 한다.
6. Chemical 장비
   Chemical 장비는 주로 Etch 공정과 Cleaning 공정에서 사용된다. 반도체 공정에서 다양한 화학 물질이 사용되고 chemical 장비는 반도체의 미세 공정 및 청정 환경 유지에 필수적이다. Chemical 장비는 크게 화학약품 저장 및 전송 장치, 화학약품 혼합 장치, 화학약품 공급 장치로 나뉜다. 화학약품은 탱크로리에서 ACQC 시스템을 통해 저장소로 전달되고 VMB를 통해 혼합 장치로 이동된다. 혼합된 화학물질은 최종적으로 Supply System을 통해 FAB에 공급된다. 이 전체 시스템은 반도체 제조 공정에서 화학물질의 안전한 공급과 정확한 혼합을 보장한다.
   
   
7. 산화 공정
   산화 공정은 웨이퍼 표면에 절연층을 형성하는 과정으로, 건식 산화와 습식 산화로 나뉜다.
   건식 산화는 O₂를 사용해 산화막을 형성하는 방식이다. Quartz Oxidation Boat와 실리콘 웨이퍼를 사용하고 O₂와 N₂ 또는 TCA를 반응로에 주입하여 산화막을 형성한다.
   습식 산화는 H₂와 O₂를 반응시켜 H₂O를 만들어 산화막을 형성하는 방식이다. Pyrogenic Torch를 이용해 수증기를 발생시키고 산화막을 형성한다.
   이 과정은 wafer 위 배선이 합선되지 않게 구분해주는 절연막을 만드는 역할을 한다.
   산화 공정에서는 일정한 온도 유지와 MFC를 통해 wafer 상의 균일도를 맞추는 것이 중요해 다양한 모듈들을 같이 사용한다.

• 컨트롤 모듈: 공정 조건을 제어
• 이송 모듈: 웨이퍼를 이동
• 히터 모듈: 공정에 필요한 열 제공
• 가스 모듈: 반응에 필요한 가스를 공급
  이러한 모듈들이 협력하여 같은 온도와 시간을 유지하고 반응 가스의 균일한 흐름을 통해 항상 일정한 공정 결과물을 얻을 수 있다.
  
  

8. 포토 공정
   포토 공정은 반도체 웨이퍼 표면에 회로 패턴을 그리는 공정이다. Photoresist라는 감광액을 웨이퍼에 도포한 후 빛을 이용해 패턴을 만든다. 노광 공정은 반도체 생산 시간의 절반을 차지할 만큼 매우 중요한 공정이다. 이 공정에서 사용하는 장비로는 Stepper, Scanner, Aligner가 있다. Stepper는 통째로 축소시켜 사진 찍듯 찍어내는 방식으로 미세 패턴 형성에 적합한 장비다. Scanner는 레티클과 wafer 스테이지를 이동시키며 선으로 회로를 그려내는 방식이다. 이 방식은 패턴을 좀 더 정밀하게 제어할 수 있다. Aligner는 초기 노광 공정에서 사용된 장비로 사람이 1:1 비율의 마스크와 웨이퍼를 현미경을 통해 수동으로 정렬하던 방식이다. 이 방식은 시간이 지나면서 자동화됐지만 mask와 PR이 붙는 단점을 극복하지 못해 점차 제조 라인에서 사라졌다.
   
   
   

포토 공정은 노광 공정을 포함하여 여러 단계를 거치고 회로 설계 이미지를 wafer에 그려내는 작업이다. 트랙 공정에서는 Photoresist를 도포하고 열처리 및 현상하는 작업을 진행한다. 현상 공정은 Puddle, Dipping, Spray 방식으로 나누어지고 공정 방식에 따라 장비 구조가 조금씩 달라진다.
이 과정은 Wafer Loading, Wafer Transfer, Exposure, Development 등의 단계로 구성된다. 각 단계에서 웨이퍼를 쌓고 Photoresist를 코팅하고 빛을 이용해 노광한 후 패턴을 현상하여 wafer에 원하는 회로를 정확히 그리는 역할을 한다.

9. 박막 공정
   박막 공정은 타겟 물질을 웨이퍼 표면에 증착하는 방식으로, Sputtering과 Evaporation 방식으로 구분된다. 이 공정은 웨이퍼에 회로의 구분과 보호를 위한 박막을 형성하는 중요한 단계로 박막 공정은 크게 PVD와 CVD 방식으로 나뉜다. PVD는 물리적 증착 방식, CVD는 화학적 증착 방식이다.

• PVD: 주로 플라즈마를 이용한 Sputtering과 Evaporator 방식으로 타겟 물질을 증착하는 방식
• CVD: PECVD, Thermal CVD, LPCVD와 같은 방식으로 화학적 반응을 통해 박막 형성
  박막 장비에 따라 박막의 결정질이 달라지고 원하는 공정 조건에 맞는 적합한 장비를 선택하는 것이 매우 중요하다.
  
  
  

10. 식각 공정
    식각 공정은 포토 공정에서 형성된 패턴을 따라 웨이퍼의 산화막을 깎아내는 공정이다. 주로 건식 식각 방식이 사용되고 원하는 패턴을 정밀하게 형성한다. 습식 식각은 클리닝 과정에서 사용되고 식각 공정은 크게 건식 식각과 습식 식각으로 나뉜다.
    -건식 식각: 물리적, 화학적 반응을 이용한 Plasma 방식으로 높은 정밀도와 공정 컨트롤이 용이한 장점이 있지만 cost가 높고 처리량이 낮다는 단점이 있다.
    -습식 식각: 화학 반응을 이용한 방식. 저비용에 공정이 쉽고 식각 속도가 빠른 장점이 있지만 정밀도가 낮고 공정 컨트롤이 어려운 단점이 있다.
    이 두 방식은 각각의 장점과 단점에 따라 특정 공정 조건에 맞추어 선택하여 사용된다.
    
    

11. 금속 배선 공정
    금속 배선 공정은 반도체 소자의 동작을 위한 전기 신호 전달을 목적으로 금속 배선을 연결하는 과정임. 포토, 식각, 증착 공정 등을 통해 소자가 만들어진 후 전기 신호를 전달하기 위해 금속 배선을 형성한다.
    -후공정

12. EDS (Electrical Die Sorting)
    EDS 공정은 전기적 특성을 검사하여 소자가 규격에 맞는지 확인하는 과정이다. 이 공정을 통해 반도체 소자의 품질을 보증한다.

13. 패키징
    패키징은 소자를 외부 환경으로부터 보호하고 전기적으로 연결할 수 있는 배선을 형성하는 공정임. 이 공정은 반도체 소자의 내구성과 신뢰성을 높이는 데 중요한 역할을 함.
    패키징 공정은 Back Grinding, Wafer Sawing, Die Attach, Wire Bonding, Molding, Marking, Solder Ball Mount, Saw Singulation의 순서로 진행된다. 각 단계는 반도체 소자의 보호와 전기적 연결을 보장하기 위한 다양한 기술을 포함
    -전 공정을 거친 반도체 칩이 칩 반도체 역할을 수행할 수 있도록 만듦
    -반도체 칩을 외부와 전기적으로 연결
    -외부 환경으로부터 반도체 칩을 보호
    이 과정을 통해 최종 반도체 소자는 안정적으로 외부 환경과 연결되고 보호된다.
    
    

14. 계측 장비
    계측 장비는 반도체 제조 공정에서 구조적, 표면적 분석을 통해 품질을 관리하는 장비이다. 각 공정마다 인라인 모니터링을 통해 평가 데이터를 분석하고 공정 레시피를 관리한다.
    계측 장비는 전기적 검사를 포함하여 반도체 공정에 대한 성능 평가를 위한 장비로, wafer의 증착, 노광, 식각, 세정 공정마다 Inspection을 진행하고 각 공정 단계에서 품질 평가를 통해 공정 조건이 정확하게 충족되는지 확인한다.
    이러한 계측 장비는 공정 내에서 발생하는 문제를 조기에 발견하고, 이를 수정함으로써 반도체의 품질과 신뢰성을 높이는 역할을 한다. 15. 정비(Maintenance)
    정비는 반도체 장비의 정상적인 작동을 보장하기 위해 중요한 절차이다. 정비는 크게 예방 정비와 사후 정비로 나뉜다. 예방 정비는 소모품이나 노후된 부품을 정기적으로 교체하여 장비의 돌발 고장을 미리 방지하는 것이 목적이다. 주기적으로 연간, 반기, 분기, 월간 등으로 정기적 교체가 이루어지며, 이를 통해 이상 신호를 미리 발견하고 선제적으로 조치할 수 있다. 사후 정비는 장비에서 고장이 발생했을 때 고장 원인을 분석하고 해결하는 절차를 말한다. 소프트웨어 에러, 치명적 에러, 제품과 장비 간 불일치 등의 다양한 원인으로 결함이 발생할 수 있으며, 담당 팀이 장비를 점검하고 수리하는 과정을 포함한다.
    

출처: 한국반도체아카데미