웨이퍼 (Wafer)

실리콘 단결정 성장: CZ와 FZ

실리콘 웨이퍼는 반도체 제조의 ‘백지’다.

고순도 다결정 폴리실리콘을 녹여 한 방향으로 결정을 키우면 단결정 잉곳이 만들어지고, 이를 얇게 잘라 가공한 것이 웨이퍼다.

가장 많이 쓰는 결정 성장법은 CZ(초크랄스키)다.

도가니에 녹인 실리콘 용액에 단결정 시드(seed)를 담갔다 천천히 끌어올리며 회전시키면, 시드의 결정 방향을 따라 큰 단결정 잉곳이 자란다.

CZ로는 산소 함유량이 비교적 높은 잉곳이 얻어지는데, 이 산소가 ‘게터링(gettering)’ 작용으로 금속 불순물을 잡아 주어 메모리·로직에 적합하다.

더 높은 순도가 필요한 전력반도체용으로는 도가니 없이 RF 코일로 결정을 띄워 가공하는 FZ 방법을 쓴다.

초크랄스키(CZ) 공법으로 단결정 잉곳을 성장시키는 모습 · 이미지 출처: Wikimedia Commons

웨이퍼 가공 흐름

가공 흐름은 잉곳을 절단(슬라이싱) → 모서리 가공 → 래핑 → 에칭 → 폴리싱 → 세정 → 검사로 이어진다.

마지막 폴리싱은 ‘거울보다 매끈한’ 표면을 만든다.

표면 거칠기가 nm 이하 수준이어야 이후 포토 공정에서 nm 단위 회로 패턴을 정확히 그릴 수 있다.

웨이퍼 가장자리(edge)와 뒷면(back side)도 별도 가공이 들어간다.

가장자리는 운반·취급 중 깨지지 않도록 라운딩되고, 뒷면은 흡착·핸들링·열전도를 위해 별도 공정으로 처리된다.

결정 방향과 도펀트

결정 방향과 도펀트는 웨이퍼의 성격을 결정한다.

결정 방향은 보통 <100>이 많이 쓰이고(MOSFET 채널 형성에 유리), 일부 응용은 <111>을 사용한다.

도펀트는 인(P)·비소(As)로 만든 n형, 보론(B)으로 만든 p형이 있고, 도펀트 농도(저항률, ohm·cm)도 사양에 들어간다.

같은 12인치 웨이퍼라도 ‘<100>, p형, 0.01 ohm·cm, 두께 775μm, 산소 12 ppma, 결함 0.04/cm²’처럼 사양이 매우 구체적이다.

12인치 웨이퍼와 18인치 좌초

12인치(300mm) 웨이퍼는 2000년대 초반 양산 표준이 되었고, 지금도 첨단 로직·메모리의 기본이다. 18인치(450mm) 전환 시도는 한때 인텔·TSMC·삼성 등이 G450C 컨소시엄을 만들 정도로 추진됐지만, 장비 개발 부담과 ROI 문제로 사실상 좌초됐다.

대신 산업은 ‘12인치 위에서 더 미세한 패턴을 더 효율적으로 만드는’ 방향으로 자원을 집중했다. 8인치(200mm) 웨이퍼는 아날로그·전력반도체·MEMS·이미지 센서·자동차용 일부에서 여전히 활발하게 사용된다.

화합물반도체 웨이퍼: SiC, GaN

화합물반도체 웨이퍼는 차세대의 큰 흐름이다.

SiC(실리콘 카바이드)는 전기차 인버터, 고전압·고전력 응용에서 IGBT를 빠르게 대체하고 있고, GaN(질화갈륨)은 고속 충전기, RF 통신, 고주파 전력반도체에서 자리잡고 있다.

SiC는 6인치를 넘어 8인치 웨이퍼 양산이 본격화되고 있고, GaN은 ‘실리콘 위 GaN(GaN-on-Si)’ 형태로 8인치 양산 단계에 들어섰다.

화합물반도체 웨이퍼는 결정 성장이 어렵고 결함 밀도가 실리콘보다 훨씬 높아, 웨이퍼 자체가 비싼 부품이 된다.

한국 웨이퍼 산업

한국에서는 SK실트론이 글로벌 4~5위권의 웨이퍼 공급사이며, 12인치 실리콘 웨이퍼와 SiC 웨이퍼(미국 듀폰의 SiC 사업부 인수 이후) 모두에서 활동한다.

일본의 신에츠·섬코, 대만의 글로벌웨이퍼스, 독일의 실트로닉이 글로벌 시장을 함께 분할한다.

웨이퍼 산업은 진입 장벽이 매우 높은 ‘소수 과점’ 구조이며, 첨단 노드 양산 캐파가 늘어날수록 12인치 웨이퍼 공급이 종종 빠듯해진다.

웨이퍼는 단순한 ‘재료’가 아니라 모든 후속 공정의 출발점이다.

웨이퍼 표면의 미세한 결함, 도펀트 균일도, 산소 분포가 양산 수율에 직접 영향을 주기 때문에, 양산 라인은 웨이퍼 입고 단계에서 이미 까다로운 검사를 거친다.