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반도체 공정의 시작, Clean Room과 웨이퍼 제조의 모든 것

반도체 관련 기업에 지원할 때 반드시 이해해야 할 핵심 개념은 ‘공정(Process)’입니다. 그중에서도 전공정과 후공정을 구분하고, 그 출발점인 클린룸(Clean Room)과 웨이퍼(Wafer)에 대한 이해는 매우 중요합니다.

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🧼 클린룸(Clean Room): 반도체가 자라는 곳

반도체 제조는 먼지 하나에도 치명적일 수 있는 초정밀 작업입니다. 따라서 모든 공정은 입자, 온도, 습도, 압력 등이 철저히 제어되는 밀폐된 공간인 클린룸에서 이루어집니다.

📌 왜 노란색 조명인가?

Photo 공정(노광공정)에서는 광민감성을 줄이기 위해 노란색 장파장 조명을 사용합니다. 청색 등 단파장 빛은 회로 형성에 영향을 주기 때문에 제거됩니다. 노란색과 빨간색은 상대적으로 긴 파장을 가져 광학적 간섭을 덜 일으킵니다.

📌 공기 흐름과 입자 제어

클린룸에서는 공조 시스템이 천장과 바닥을 통해 입자를 제어합니다. 공기의 흐름을 위에서 아래로, 위에서 아래로 흐르게 하여 입자 제거 효율을 극대화합니다.

📌 Class란?

클린룸의 청정도는 1입방피트(ft³)당 0.5μm 크기 입자의 수로 측정되며, 이를 클래스(Class)라고 부릅니다.

• Class 1: 가장 깨끗한 환경 (삼성전자, SK하이닉스는 이 등급에서 주요 공정 수행)
• Class 1000: 비교적 느슨한 청정 환경 (설비 보수 등 비공정 작업용)

📌 공간 구성: Production Bay vs Service Chase

• Production Bay: 공정 엔지니어가 근무하며, 공정 장비는 이곳에 위치. 대부분 Class 1 수준으로 유지됨.
• Service Chase: 장비 유지보수 등을 담당하는 설비 엔지니어의 공간. 대부분 지하에 설치되며 Class 1000 수준.

🎨 생산 공간(PB)은 파란색, 설비 공간(SC)은 흰색으로 구분되기도 합니다.

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💿 웨이퍼(Wafer): 반도체의 시작점

클린룸에서 실제 가공되는 실체는 바로 웨이퍼(Wafer)입니다. 웨이퍼는 고순도의 실리콘(Si)을 얇게 절단해 만든 원형 판입니다.

• Si(실리콘)의 비율: 약 95%
• 직경 변화: 세대가 바뀔수록 웨이퍼의 직경은 커지고 있습니다.

📌 웨이퍼의 직경은 왜 커질까?

• 더 많은 Die(칩)를 수용할 수 있어 생산성이 증가함
• 예: 직경이 200mm에서 450mm로 증가하면, 동일 면적당 die 수는 훨씬 늘어남

하지만 단점도 있습니다:

• 생산성(Throughput)은 증가하지만,
• 수율(Yield)은 낮아질 수 있습니다.

생산성 (Throughput) = 시간당 처리 가능한 웨이퍼 수
수율 (Yield) = 성공한 다이 수 / 설계된 다이 수

예를 들어:

• 100개 칩 생산 가능, 수율 97%
• 10,000개 칩 생산 가능, 수율 95%

👉 후자가 실제 생산성과 수익 면에서 유리함

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🛠️ 웨이퍼 제조 과정

웨이퍼는 단순히 실리콘을 자른다고 끝나지 않습니다. 수많은 정제, 평탄화, 연마 과정을 거칩니다.

1. Si 정제 → Ingot 제조 → Slicing

• 정제된 Si를 이용해 Ingot(잉곳)이라는 실리콘 기둥 생성
• 주로 Czochralski 방식 사용:
  • 장점: 대직경, 재사용 가능, 비용 효율적
  • Float-zone 방식은 고순도 전력 소자용으로 사용됨

2. Slicing 이후의 공정 순서

• Edge Rounding
  • 가장자리 모서리 곡선 처리
  • 응력 집중 분산, 열응력 저항 향상
  • 입자 파손률 최대 400% 감소

• Lapping
  • 거친 연마로 웨이퍼 두께 및 평탄도 맞춤
• Etching
  • 산화물로 표면 불순물 제거
• Polishing
  • CMP 공정 등으로 광학적 평탄도 확보

• Inspection
  • 품질 검사 및 두께/조도 측정

👉 이 전반적인 과정을 우리는 전공정(Front-end Process)이라 부릅니다.

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🏷️ 웨이퍼 형상 식별: Flat vs Notch

웨이퍼에는 방향과 정보를 식별할 수 있도록 trimming 구조가 필요합니다.

• Flat Zone 방식: 직경 150mm 이하 웨이퍼에 적용
• Notch 방식: 직경 200mm 이상 웨이퍼에 적용 (현재 주류)

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📌 정리

• 반도체 공정의 시작은 클린룸과 웨이퍼 제조에서 시작된다.
• 클린룸은 Class로 청정도가 구분되며, 공정별로 PB와 SC가 분리 운영된다.
• 웨이퍼는 단순 절단이 아닌, 정제 → 잉곳 → 절단 → 연마 → 검사 등 복합적 제조 과정을 거친다.
• 웨이퍼 크기 증가는 생산성을 높이지만 수율과의 균형이 중요하다.

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