'전기공학 기초이론/반도체 물성'에 해당되는 글 8건

대망의 마지막 공정 학습시간입니다.

어느덧 반도체 8대공정 강의 마무리 단계에 와있네요.

반도체 8대공정 포스팅이 끝나면 다시 회로이론으로 넘어갔다가

중간중간 여러 실무이론에 대해서 간혹 포스팅 해드리겠습니다.

지난시간에 만들어진 반도체에 대한 Q.C 업무를 배웠었죠.

오늘 배울건 Q.C 업무가 끝난 다음

마무리 단계의 포장 공정이라 생각하시면 되겠어요.

우린 지난시간에 EDS 공정을 배웠죠.

EDS 공정을 거치고나서 선별된 정상적인 반도체 칩들은

기기에 탑재되기 적합한 형태로 만들어집니다.

반도체 칩이라 함은 흔히 아래 사진을 생각하시면 되겠습니다.

보드가 있고 그안에 사람의 두뇌 역할을 하는 칩이 박혀있죠.

칩이 잘 삽입되고 나서 확인해야 될 부분을 생각해보면.

반도체 자체의 성능 검증은 끝났기 때문에

그다음으로 생각해야 할 부분이

반도체 외의 부분과 조립하였을때 전기신호를 제대로 주고 받을 수 있느냐이겠죠.

더군다나 매우 작고 고가의 반도체가 작은 충격이나 열에 망가져서도 안될겁니다.

적절한 보호조치가 필요하다는 이야기이죠.

패키징 공정은 흔히 아래와 같이 이루어집니다.

1. 웨이퍼 소잉/다이싱

웨이퍼에 여러가지 IC 칩이 있는데.

이걸 각각 잘라서 사용할 수 있게끔 만드는 공정이 되겠습니다.

2. 칩접착: 절연된 칩을 낱개단위로 PCB 기판위에 올리는 작업

웨이퍼가 원형 모양에

여러개의 칩이 붙어 있는 형상이란것 정도는 이쯤이면 모두들 아시겠죠.

위는 웨이퍼 사진입니다.

이렇게 웨이퍼에 격자 모양으로 여러개의 I.C 칩이 될 여러가지 소자들을

잘라서 낱개로 기판에 올리는 작업을 수행하는거죠

3. 금선연결: 기판위에 올려진 칩이 PCB랑 붙을 수 있게 칩과 기판을 연결해주는 작업

반도체는 그자체적으로 검증되었지만

외부 기판과 연결되었을때 신호가 잘 통하는지에 대해선 검증한 바 없으므로

해당공정을 진행합니다.

4. 성형공정: 패키지 모양을 원하는 모양으로 갖추게 하기 위한 공정

성형공정의 목적은 I.C 칩 보호와 사용자 목적에 맞게 모양을 형성 하는 것 입니다.

흔히 우리가 알고있는 완제품의 반도체는 대부분 이런 모습일 겁니다.

5. 제품명 마킹

삼성이면 삼성, 마이크론이면 마이크론... 제조사를 새겨넣는 부분입니다.

6. 파이널테스트

전공정에서 반도체 자체에 대한 EDS 공정을 걸쳐 품질 검증을 받았다면

이제는 외부 커버가 잘씌워졌는지를 확인하는 과정인데.

반도체를 검사장비에 넣고 전압이나 전기신호를 가하고

온도조건을 다르게 주어서 전기적으로 제어적으로 문제가 없는지 확인하는

최종공정이라 보시면 됩니다.

이상 반도체 8대 공정 전반을 살펴보았습니다.

워낙 오래전 배웠던 내용이고 기억이 가물가물하여

서적과 웹을 참고하여 작성하였습니다.

요새 회사 업무로 정신이 없습니다.

많은 독자 및 학생 여러분께 일일히 답변드려야 마땅하나

간신히 포스팅을 이어나가고 있기에 다소 답변이 늦더라도

너그럽게 이해해주시면 감사하겠습니다.

지난시간에 이어서

오늘은 EDS 공정에 대해서 공부 해보도록 하겠습니다.

반도체 8대 공정중

7에 해당하는 EDS 공정은

순서상으로 보아도 거의 마지막에 해당하는 공정임을

알 수 있는데 대략적으로 검수하는 공정이라는 느낌을

공부하지 않았어도 짐작할 수 있겠습니다.

흔히 어떤 물건을 제조한다 했을때

중요하게 다루는 부분이 크게 두 가지로 나뉩니다.

고객이 원하는 납기를 맞출 수 있는가?

고객의 요구대로, 혹은 설계자의 의도대로 만들어졌는가?

EDS 공정은 위 두가지 주안점중 후자에 해당하는

설계자의 의도대로 만들어졌는지를 판별하는 공정이라 생각하시면 되겠습니다.

EDS 공정은 Electrical Die Sorting의 약자로, 지금까지 만들어진 웨이퍼들이

설계자의 의도대로 만들어졌는지 확인하는 공정 전반을 일컫습니다.

양품과 불량품을 나눠서

불량이 발생한 경우에 수리가 가능한지

불가능한지를 판별하여,

불량품은 양품으로 수리가 가능한지 여부를 판별합니다.

만약 불량품이 수리가 불가능 한경우 별도의 마킹을 통해서

다음공정으로 넘어가지 않게 해주죠.

모든 품질 부서가 하는 주 업무가 그렇겠지만

가장 중요한 임무는

제조 과정에서 발생된 문제를 피드백하고 재발방지대책을 강구함과 동시에

앞으로 발생할 문제를 예견하여 예방하는 것이죠.

삼성전자가 훌륭한 반도체 회사인 것도

다른 회사보다 비교적 이러한 피드백 과정이 잘 이루어지기 때문일겁니다.

EDS 공정은 아래 4가지로 나뉩니다.

1. Electrical test, Wafer burn in

앞의 여러가지 공정을 걸쳐서 제작된 반도체는

설계자가 원하는대로 제어하기 위해 여러 제반 장치들을

넣어두었을 겁니다.

저항도 있을 것이고,

트랜지스터나 커패시터등 여러 수동소자들이 있을겁니다.

이러한 소자들이 정격전압이 인가되었을때 버틸수 있느냐.

전류값이 적정하느냐에 대해서 확인하는 과정이죠.

이를 Electrical test 공정이라 부릅니다.

그다음은 제품의 신뢰성 검증의 일환이라 볼 수 있는

Wafer Burn In 공정인데.

"Burn" 이라는 단어에서도 유추 가능하듯.

열을 가하는 겁니다.

웨이퍼에 일정열을 가해서 전압을 투입해보고,

이상 동작이 발생하거나 발생할 여지가 있는 부분을 선택적으로 제거하는 공정이라 보시면 됩니다.

2. Pre Laser

서두에 언급했던것처럼

이 공정은 전기 시그널을 주었을때 각각 칩들의 이상유무를 판정하고

수리가능한 불량품에 마킹하는 작업과, 어떤 온도에 이르렀을때

불량이 발생하는 것을 막기위해 저온 고온으로 지지는 과정들을 수행합니다.

3. Laser Repair, Post Laser

앞에서 불량품중 수선가능한 칩을 마킹하였었죠.

이런 마킹된 제품들을 한데모아

레이저로 지지면서 불량품을 양품으로 바꿔주는 공정입니다.

양품으로 바꾸고나서는

또다시 레이져를 지져서 제대로 수리가 되었는지 판별합니다.

어떤 제조공정도 마찬가지겠지만

불량률을 줄이는게 제조업의 최대 이슈입니다.

웨이퍼가 가격이 엄청나게 비싸기 때문에

버려지는 웨이퍼를 최대한 줄여서

최소 원자재 투입가 대비 최대 아웃풋을 뽑아내기 위한 방법으로

이 공정을 얼마나 잘 수행하느냐가

회사 경쟁력에 지대한 영향을 끼치죠.

너무 상식적인 이야기입니다.

4 Inking

앞에서 불량칩에 마킹한다고 했었죠.

이러한 마킹이 육안으로도 보이게해주는 과정이

잉킹공정인데

프린트에서 사용하는 잉크를 떠올리면

이해가 쉽겠네요.

불량칩이 수리가 이루어졌다면

해당 불량이 발생했던 물건에 대해서는

조립이 이루어질 필요가 없겟죠..

이렇게 완료된 크게 4가지 공정을 거치고나면

다음은 패키징 공정으로 넘어가게 됩니다.

다음시간에 마무리 지어볼게요.

오늘은 금속배선 공정에 대해

짧고, 굵게 알아보도록 하겠습니다.

지난시간에 배웠던 내용

모두 기억하시죠?

반도체  성질을 띄우게 하기위해 

이온 불순물을 집어놓아 전기적인 성질을 가질 수 있게 변형을 한 뒤

여러 겹으로 쌓았었죠.

기억이 안나시는 분은 지난 포스팅을 복습하고 와주시길 바랄게요.

금속배선 공정은 사실 별거 없습니다.

훌륭한 삼성전자 설계자들이 반도체 패턴을 그려넣으면 그위로 금속선이 지나가기 때문에

반도체는 반도체일 수 있는 거죠.

패턴이란건 말이 어렵지만 별것은 아니고

전기를 통할 수 있도록 전선을 깔아주기 위한 틀 정도로 생각하시면 되겠습니다.

전선이라고 하니 꽤 큰 것을 상상할 수 있겠으나

반도체에서 사용하는 전선은 엄청나게 작죠

마치 틀을 만들어 놓고 형상을 제작하는

주물 공정과 비슷하다고 생각하시면 되겠습니다.

아시다시피 금속이라는 물질은 전기가 잘 통하죠.

그러한 금속중에서도 가장 전기를 잘통하는 물질이 존재하는데

하이탑 과학을 공부하면서 한번쯤은 들어봤을법한 내용들입니다.

은이 제일 전기를 잘통하고

은(Ag)

구리(Cu)

금(Au)

크롬(Cr)

알루미늄(Al)

등등의 순서입니다.

단순히 전기를 잘통하는 물질을 나열하라면 위와 같겠으나

반도체에 사용할 금속재료는 전기를 잘통하는 물질이라하여

아무거나 붙이면 안되고

몇가지 필요조건이 있습니다.

다 중요하지만 특히 중요한 부분은 아래와 같습니다.

1. 일단 웨이퍼랑 잘붙어야 합니다.

박막을 씌운다고 이온증착 공정에서 배웠죠?

얇게 슬라이스 할 수 있으면서도 강도가 강해야 하고 웨이퍼 위에 잘붙어야 합니다.

2. 열이나 화학적인 변형에 강해야 한다.

너무 상식적이니 통과하겠습니다.

3. 그려진 패턴 위에 구현이 쉬워야 하죠.

아무리 정밀한 장비로 식각을 하고 지지고 볶아도

배선할 금속 자체가 패턴 형성에 어려움이 있다면 아무래도 좋은

반도체 재료를 만들기는 힘들겁니다.

이러한 여러가지 조건에 부합하는 아이템들을 나열해보면

티타늄이나 텅스텐 또는 알루미늄이 사용되고요.

알루미늄 같은 경우에는 전도율 상위에 위치해 있죠.

패턴 위에 알맞은 금속을 선정하여 쫙 깔아주면

전기가 통할 수 있는 길이 만들어지는거에요.

반도체는 이러한 전기 신호를 적절하게 구성하여

전기를 흐르게 만들거나 차단하게 됩니다. 

이렇게 설명드린 부분을 통해 대부분의 어려운 반도체 제작공정이

마무리단계에 가까워지고 있습니다.

다음시간에는 Q.C쪽과 밀접한 부분을 살펴보겠습니다.

오늘은 지난시간에 이어서

어떻게 반도체의 복잡한 회로가 조그만 소자하나로 구현이 될 수 있는지

기구적인 모습과,

웨이퍼 위에 전기적인 성질을

띄게끔 만드는 과정이 어떻게 이루어지는지 배워볼 시간입니다.

먼저 기구적인 모습을 먼저 공부해볼까요.

지난 시간에 배웠듯

요런 형태의 실리콘 가공된 덩어리가 얼마나 많아야

반도체로서의 역할을 수행할까요?

서두에 말씀드렸던.

'어떻게 반도체의 복잡한 회로가 조그만 소자하나로 구현이 될 수 있는지'

이에 대한 해답은 구조적인 부분에 있습니다.

반도체 공정중 웨이퍼 생성부터 식각공정에 이르기까지 일련의 과정을

여러번 반복하는건데요. 

정리하면 이렇습니다.

1. 실리콘 위에 박막(얇은막) 을 입히고,

2. 포토 공정을 수행하고(회로 패턴을 그리는 공정이었죠?)

3. 식각공정을 수행합니다(회로 패턴을 선택적으로 제거하는 과정이었죠)

이런 과정을 여러번 반복해서

쌓고 또 쌓는겁니다.

형태로 나타내보면 이렇습니다.

여기서 절연부라고 명명된 이부분이

바로 박막이라는 것인데.

박막은 그림에서 보듯 전기적으로 연결되야 하는 

연결부를 제외한 나머지를 절연처리 해주는 기능을 수행합니다.

원하는 기능을 구현하기 위해서 어떤 회로는 살리고

어떤회로는 죽여야 되니까요.

게다가 오염 물질로부터 내부를 보호해주는 역할을 수행하기도 합니다.

우리는 이렇게 박막을 씌워주는 과정을 증착이라 표현합니다.

구조적인 부분을 이해했다면 다음은

전기적인 성질을 띄게하기 위해서 뭘해야되는지 배울 차례죠?

반도체 위에 길을 만들고.

길위에 강제로 이온을 주입시켜 전기적인 성질을 띄게끔 만드는 것을

이온 증착이라고 일컫습니다. 

 이온? 이라고 설명하니 어려울 수도 있겠네요.

사실은 회로이론 기초를 공부하면서 배웠던 내용입니다.

이온의 사전적 정의는 다음과 같습니다.

모든 물질이 원자 단위로 구성되어있다는 상식 정도는

초등학교 과학시간에도 배우는 내용이니 모두들 아실거라 보고.

어떠한 원자는 사실

자연상에서는 전기적인 성질을 띄지 않다가

어떠한 이유로 인해 자유전자가 이탈하게 되면 비로소 전기적인 성질을 띄게 되죠.

전자가 이탈할 수 있는 이유는 여러가지인데.

원자핵인 양성자와 중성자는 엄청 무거운 반면

자유전자는 빠르고 가볍습니다.

위 그림상 보면

회색이 전자.

빨간색이 양성자

파랑색이 중성자라 보시면 되겠습니다.

어쨋든...

어떤 외부의 자극이 주어졌을때

쉽게 제자리를 이탈하고 전기적인 성질을 띄게되는 것이죠.

웨이퍼라는 물질은 규소로.

전기적인 성질을 띄지 않습니다.

이탈하지 않은 자유전자와

중성자, 그리고 양성자의 합이 0으로

전기적인 성질을 띄지 않는 물질입니다.

자세히 들어가게 되면 옥텟규칙까지 설명해야하는데.

여기서 옥텟규칙은 화학분야로 넘어가기 때문에

일단은 생략하겠습니다.

궁금하신분은 댓글 남겨주시면 답변드리도록 할게요.

무튼 실리콘의 중성적인 특징 때문에 반도체에는

강제로 전기적인 성질을 가지도록 이온을 주입해주어야 하는데

쉽게 설명하면

이온은 '+' 와 '-' 상태 총 2가지 상태가 유의미한 상태라고 볼 수 있죠.

'+' 상태라는건

원자에서 자유전자가 많이 이탈한 상태일것이고

'-' 상태라는건

원자에서 자유전자가 많이 들어온 상태이겠죠.

우리는 '+' 상태를 Postive의 약자인 (P)로 표현하고

'-' 상태를 Negative의 약자인 (N)으로 표현합니다.

때문에 이온을 뭘 넣어주었냐에 따라서

P형 반도체인지 N형 반도체인지가 구분되죠.

이건 나중에 자세히 설명할 기회가 있겠네요!

어쨋든 규소라는 전기가 통하지 않는 순수한 화학물질에

이온을 강제로 주입하는 공정이 마치

불순물을 투입하는 과정과 비슷한데.

반도체라는 건.

사람의 필요에 따라 제.어.가.능.한

전기를 흐를수도 있고 안흐를수도 있는 물질이기에

순수하게 자연에서 존재하는 물질이 아닙니다.

사람이 인위적으로 만든 것이죠.

이번 시간에는 이온이 주입되어 전기적인 성질을

성질을 띄게 된 반도체끼리

어떻게 회로를 이어줄 수 있는지에 대해 공부해보겠습니다.