[반도체공정(FEOL)] Wafer fabrication #03

Wafer fabrication

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♭ Wafer fabrication process
Quzrtizite 추출 → Pure-Si 정제 → Ingot 성장 → Ingot 절단 → Inspection & Packaging
 
-Inspection & Packaging
Wafer inspection은 물리적 결함(이물질)과 Pattern defect를 검출하고 결함 위치를 좌표(X,Y)로 구하는 과정이다. Defect은 Random defect과 Systematic defect으로 구분할 수 있다.
①Random defect
주로 웨이퍼 표면에 부착된 입자에 의해 발생하므로 위치를 예측할 수 없다. Inspection을 통해 웨이퍼의 결함을 검출하고 그 위치(좌표)를 파악하여 불량을 파악합니다. → 대량 불량 가능성 ↓
②Systematic defect
Mask 또는 Expose 공정 조건에 따라 발생하며, 투영된 모든 Die의 회로 패턴에서 동일한 위치에서 발생하게 된다. → 대량 불량 가능성 ↑
 
Wafer inspection은 Patterned wafer inspection과 Non-patterned wafer inspection으로 구분할 수 있습니다.
①Patterned wafer inspection
Patterned wafer inspection은 Electron beam inspceiton, Bright field inspection, Dark field inspection 등 다양한 종류가 있다. 각각 고유한 특징이 있지만 기본 검출 원리는 동일하다.

반도체 웨이퍼는 동일한 패턴의 Die가 나란히 배열되어 있다. Random defect는 먼지와 같은 입자에 발생하는 경우가 많으며 위치가 무작위하게 분포되어 있다. 따라서 특정 위치에서 반복적으로 발생할 가능성이 극히 낮다. Patterned wafer inspection은 인접한 Die와 패턴 이미지를 비교하여 차이를 검출하여 Random defect를 검출할 수 있습니다. 웨이퍼의 패턴은 전자빔이나 빛에 의해 Die array를 따라 Capture하는데, 검사할 Die의 이미지(1)과 인접한 다이의 이미지(2)를 비교하여 결함을 검출합니다. 결함이 없으면 이미지(1)에서 이미지(2)를 뺀 결과가 0이 되어 Defect가 감지되지 않는다. 하지만, Die에 결합이 있으면 (3)에서 표시한 것처럼 감산된 결과가 남게 되어 Defect가 감지되고 해당 위치가 좌표로 등록된다.

 
Defect X : 이미지 (1) - 이미지 (2) = 0
Defect O : 이미지 (1) - 이미지 (2) ≠ 0

 
②Non-patterned wafer inspection
 

Non-patterned wafer inspection은 패턴이 없기 때문에 이미지 비교없이 Defect를 바로 검출하는 방법이다. 회전하는 웨이퍼에 레이저 빔을 조사하여 반경 방향으로 이동시켜 레이저 빔이 웨이퍼 전체 표면을 조사할 수 있도록 합니다. 레이저 빔이 회전하는 웨이퍼의 입자/결함에 투사되면 빛이 산란되어 검출기에 의해 감지되어 검출된다. 웨이퍼 회전 각도와 레이저 빔의 반경 위치로부터 입차/결함의 위치 좌표가 등록된다.
 
일반적으로 Bright field wafer inspection이 Pattern defect을 정밀하게 검사하는데 사용하고, Dark field wafer inspection은 고속으로 Defect 검출이 가능하여 다수의 웨이퍼에 대한 검사 목적으로 진행한다.
①Bright field wafer inspection
Bright field wafer inspection는 입사된 빛이 직접 반사된 빛을 검출하는 방식으로 분해능이 높지만 속도가 느리다.
②Dark field wafer inspection
Dark field wafer inspection는 입사된 빛에서 산란된 빛을 검출하는 방식으로 분해능이 낮지만 속도가 빠르다.
→ 반도체 Fab에서는 Bright field inspec.과 Dark field inspec. 장비를 대략 3:7의 비율로 운영하여 Defect을 검출한다.
 

 

마지막으로 외부 충격, 이물, 습기로부터 웨이퍼 노출되지 않도록 포장하여 고객사로 출하됩니다.
 

♭Wafer information
Wafer 정보에 대해서 알아보도록 하겠습니다. Wafer는 Package를 통해 알 수 있는 정보와 Wafer 형상을 보고 알 수 있는 정보로 구분할 수 있다. 
 
1) Wafer package를 통해 알 수 있는 정보

① 웨이퍼 크기(Inch), ② 웨이퍼 성장 방법, ③ 웨이퍼 타입(N, P), ④ 불순물 원소 종류, ⑤ 결정 방향, ⑥ 비저항 ⑦ 두께 등의 정보가 웨이퍼 Package에 표시되어 있다.
 

https://mse-semi.tistory.com/entry/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4-%EC%A0%84%EA%B3%B5%EC%A0%95FEOL-Wafer-fabrication-01

[반도체공정(FEOL)] Wafer fabrication #01

 
지난 포스팅에서 웨이퍼는 불순물이 주입된 경우 외인성 반도체(Extrinsic semiconductor)로 분류할 수 있었는데, 외인성 반도체(Extrinsic semiconductor)를 불순물의 특성에 따라 한 번 더 구분할 수 있다. Intrinsic semiconductor에 13족 원소를 주입하면 P-type semiconductor, 15족 원소를 주입하면 N-type semiconductor라고 한다.
 
2) Wafer를 통해 알 수 있는 정보 = Wafer 형상 명칭

① 다이(Die)
웨이퍼 위에 작은 사각형들이 있는데, 이 사각형 하나하나가 전자회뢰가 집적되어 있는 IC칩 입니다. 사각형 각각을 다이(Die)라고 합니다.
 
Q) 다이(Die)는 사각형인데 웨이퍼는 원형인 이유?
→ 웨이퍼를 CZ method를 통해 성장시키는 경우 Si seed를 위로 당기면서 동시에 회전을 시키기 때문에 원심력에 의해 웨이퍼가 원형으로 성장한다. 반면, FZ method는 Poly-Si rod를 RF heating coil의 상하 운동을 통해 단결정 웨이퍼를 제조하는데, Poly Si-rod가 원형이다. 우선 CZ method와 FZ method를 통해 제조한 웨이퍼가 원형이다. 그 밖에 웨이퍼를 제조하고 전자 회로를 형성하기 위해 후속 공정을 진행할 때 웨이퍼가 사각형이면 중심으로 부터 꼭짓점과 모서리 사이의 거리가 다르기 때문에 응력이나 열 분포가 달라져 변수가 증가하기 때문에 웨이퍼는 원형 유리하다.
 
② 스크라이브 라인(Scribe line)
육안으로 웨이퍼를 보면 다이(Die)와 다이(Die)가 서로 붙어있는 것처럼 보인다. 하지만, 다이(Die)와 다이(Die) 사이는 일정한 간격을 두고 떨어져 있는데, 이 간격을 스크라이브(Scribe line)이라고 한다.
→ 웨이퍼 가공을 마치고 다이 하나하나를 분리할 때 다이아몬드 톱으로 자르는데, 이 때 다이아몬드 톱에 의해 다이가 손상되지 않도록 여유 공간을 둔다.
 
③ 플랫존(Flat zone)
웨이퍼의 구조(결정 방향)을 구별하기 위해 만든 영역으로 웨이퍼 가공 시에 기준선이다. 웨이퍼의 결정구조는 육안으로 판단할 수 없기 때문에 플랫존(Flat zone)을 기준으로 웨이퍼의 수직과 수평을 판단합니다.
 
④ 노치(Notch)
웨이퍼 직경이 증가함에 따라 플랫존(Flat zone)에 의해 손실되는 영역이 증가하고 있다. 손실되는 영역을 줄이고자 플랫존(Flat zone) 대신 노치(Notch)을 통해 웨이퍼의 결정구조를 파악할 수 있다.
 
♭Wafer 관련 회사
국제반도체장비재료협회(SEMI)에 따르면, Silicon wafer 세계 시장은 2021년 기준 약 120억 달러(약 16조원) 규모이다. 실리콘 웨이퍼 세계 시장의 점유율은 일본 신에츠(Shin-Etsu) 화학이 31.4%, 일본 섬코(SUMCO) 24.4%, 대만 글로벌웨이퍼스(Global Wafers) 17.8%, 한국 SK 실트론(SK Siltron), 독일 실트로닉(Siltronic) 9.5%의 MS(Market share)이다.
그 밖에 Wafer inspection 장비 회사로는 KLA-Tencor, AMAT, Nextin, Lasertec 등이 있다. Wafer inspection 시장 점유율은 대부분 KLA-Tencor가 차지하고 있다.
 
<출처>
국제반도체장비재료협회(SEMI).
HITACHI.
SK 실트론.
 

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