비 전공자도 쉽게 이해할 수 있는 반도체 집적회로 제조 공정(Integrated Circuit Fabrication)

집적 회로 제조를 위한 과정

반도체 소자를 제작하기 위한 공정을 거치면, 고객에게 최종적으로 제품을 판매하기 위해 집적 회로를 제조합니다. 고순도의 실리콘 웨이퍼에 불순물 도핑, 절연체 증착, 금속 증착 등의 공정을 진행하면, 비로소 집적회로를 만들어 낼 수 있습니다. 카메라, 컴퓨터, 휴대전화와 같은 전자 기기에 최종 제품을 투입하기 위해서는 전기적 시험과 패키징 작업이 필수 요소입니다.

 

또한, 전기적 시험은 고품질의 제품을 양산하기 위해서 필수적입니다. 고품질을 확보하기 위해서는 철저하게 계획된 통계적인 실험에 의해 평가됩니다. 이러한 과정을 거쳐 통과된 제품이 고객에게 제공될 수 있습니다.

 

패키징 작업은 제조된 집적 회로를 외부 요인으로부터 보호하고, 집적 회로와 전기 장치를 연결해 주는 기술 및 과정이라고 할 수 있습니다. 상호 배선, 전력 공급 등의 역할을 합니다. 이번 피드에서는 소자 제조를 위한 전기적 시험과 패키징의 특징에 대해 알아보겠습니다.

전기적 시험 과정

전기적 시험은 집적 회로의 수율뿐만 아니라 생산 효율을 평가하기 위한 것입니다. 오염, 파티클 등 여러 가지 원인에 의한 반도체 소자의 결함에 대한 평가를 하기 위해 정해진 틀에서 시험을 진행합니다. PCM(Process Control Monitor)이라고 하는 공정 제어 모니터를 사용하여 평가를 진행합니다. 이는 트랜지스터, 금속 선, 축전기, 연결 모니터 등을 포함하고 있습니다.

 

공정이 진행될 때, PCM 구조에 대한 측정을 통하여 공정 품질이 점검됩니다. 일반적으로 미앤더 구조, 이중 빗살 구조, 빗살-미앤더-빗살 구조로 나뉩니다. 미앤더 구조의 경우에는 구조의 양단 저항 증가를 통한 개방 회로 여부를 검사할 수 있습니다. 이중 빗살 구조는 어떠한 전도체가 빗살 구조에 연결되어 있다면 빗살 사이의 저항이 작아지기 때문에, 단락 여부를 검사할 수 있습니다.

 

마지막으로 빗살-미앤더-빗살 구조는 앞서 말한 두 가지의 기능을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 회로의 개방 및 단락 여부 또한 검사할 수 있습니다. 이러한 세 가지의 구조를 통해 집적 회로의 저항 측정으로 회로의 개방과 단락 여부를 알 수 있고, 또한 결함의 존재도 알 수 있습니다.  

앞선 과정을 통해 수집된 데이터는 최종적으로 집적 회로를 제조하는 데 사용됩니다. 최종 시험은 제품이 최초 요구한 사양대로 만들어지고, 동작하는지 확인하는 과정입니다. 그리고, 소자가 동작하는 범위가 정상적인지 비정상적인지를 판단할 수 있습니다. 또한, 최종 시험 과정은 불량품을 발견했을 때, 해당 원인에 대한 분석이 즉각적으로 이루어질 수 있도록 준비되어 있습니다.  

패키징(Packaging) 과정

패키징은 제조된 집적 회로를 외부 요인으로부터 보호하고, 집적 회로와 전기 장치를 연결해 주는 기술 및 과정이고 할 수 있습니다. 여러 소자들은 서로 다른 패키징 방법을 통해서 연결되어 있습니다. 패키징에서는 소자 사이의 연결, 소자와 기판 사이의 연결, 기판과 기판 사이의 연결, 그리고 기판들과 최종 시스템 연결이 체계적으로 이루어집니다.

집적 회로를 패키징 하기 전, 전기적 시험을 완료해야 합니다. 시험을 통과한 집적 회로는 웨이퍼에서 각각의 집적 회로로 분리되어야 합니다. 이 과정을 Dicing이라고 합니다. Dicing 과정은 패턴을 따라 얇은 라인을 만들기 위해 레이저나 다이아몬드 칼을 사용하여 진행됩니다. 이때 집적 회로나 웨이퍼가 손상되지 않도록 주의해야 합니다. 집적 회로를 전자 기기에 사용하기 위해서는 기판에 접착해야 합니다. 집적 회로를 부착하는 방법은 다양합니다. 크게 와이어 본딩(wire bonding), 테이프 본딩(tape bonding), 플립-칩-본딩(flip-chip bonding)이 있습니다. 

와이어 본딩

와이어 본딩은 가장 오래된 본딩 방법입니다. 얇은 금속 선을 이용하여 기판과 집적 회로를 연결하고, 대체로 금이나 알루미늄을 사용합니다. 와이어 본딩을 통해 기판과 집적 회로 간의 전기적 신호 전달이 가능하게 합니다. 와이어 본딩 기술은 또 열 압착, 초음파 본딩, 열적 음파 본딩으로 나눌 수 있습니다. 열 압착 기술은 와이어 끝은 녹여 동그란 볼을 만들고, 만들어진 볼이 집적 회로와 기판에 접착되면서 서로를 연결하는 기술입니다. 초음파 본딩은 초음파 진동에 의해 금속이 변형되는 방식을 이용합니다. 금속 변형을 통해 연결 부위가 형성되고 이를 기판과 접합시키는 기술입니다. 열적 음파 접속은 앞선 두 가지의 기술을 조합한 것입니다. 

테이프 본딩

집적 회로는 반복되는 테이프에 먼저 연결됩니다. 이후 집적 회로가 연결된 테이프가 기판에 정렬됩니다. 이 과정에서 열 압착을 통해 기판과 집적 회로는 연결되고, 여러 집적 회로를 기판에 붙일 수 있어 대량생산이 가능한 장점이 있습니다. 하지만, 기판과 집적회로가 동일 선상에 있지 않은 경우에는 안정성과 신뢰성의 문제가 발생할 수 있습니다.

플립-칩 본딩

플립-칩 본딩은 집적 회로를 기판에 뒤집어서 접착시키는 방법입니다. 집적 회로와 기판의 접촉은 납땜을 통하여 진행됩니다. 와이어 본딩에 비하면 작업 처리량이 극대화되는 효과를 가지고 있습니다. 하지만, 납땜 작업을 하는 과정이 매우 복잡하고 비용이 많이 든다는 단점이 있습니다.

 

앞선 기술을 통해 집적 회로는 제품으로 만들어졌고, 만들어진 제품은 전자 기기에 속해 핵심적인 기능을 수행합니다. 더 나아가 끊임없는 기술 개발은 다양한 패키징 방법 확장할 것입니다.

 

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