웨이퍼는 왜 둥글까?

칩은 네모나다. 스마트폰이나 컴퓨터를 뜯어서 나오는 칩은 하나같이 반듯한 네모 조각이다. 그런데 팹에서는 칩을 둥근 웨이퍼 위에서 만들고, 마지막에야 하나하나 잘라 낸다. 왜 처음부터 네모난 판을 쓰지 않을까? 답은 실리콘이 어떻게 ‘자라는지’에서 시작한다.

한마디로: 실리콘이 원기둥 모양으로 자라기 때문이다

칩을 만드는 실리콘은 원자가 가지런히 배열된 ‘단결정 실리콘’이어야 한다. 가장 흔한 방법은 고순도 실리콘을 도가니에 넣어 녹인 뒤, 단결정 실리콘 작은 조각을 ‘씨앗’으로 삼아 액면에 살짝 닿게 하고, 회전시키면서 아주 천천히 위로 끌어올리는 것이다. 녹은 실리콘이 씨앗의 원자 배열을 따라 한 층씩 굳어 올라가, 길쭉한 단결정 실리콘 막대가 끌려 나온다. 업계에서는 이것을 잉곳이라고 부른다.

공정 내내 계속 회전하므로 잉곳의 단면은 자연히 원형으로 자란다. 이어서 잉곳 바깥쪽을 일정한 지름으로 깎고, 소시지를 썰듯 아주 얇은 원판으로 자른 뒤, 연삭하고 거울처럼 평평하게 연마하면 웨이퍼가 된다.

잉곳을 네모나게 깎아서 자르면 안 될까?

기술적으로는 가능하지만 낭비가 심하다.

• 원기둥을 사각기둥으로 깎으면 네 모서리 바깥의 단결정 실리콘은 모두 폐기물이 되는데, 고순도 단결정 실리콘은 아주 비싸다.
• 많은 공정이 원래 둥근 것에 잘 맞는다: 포토레지스트를 바를 때는 웨이퍼를 고속으로 회전시켜 액체를 균일한 얇은 막으로 퍼뜨린다. 가열, 계측, 운반 장비도 모두 둥근 웨이퍼에 맞춰 설계되어 있다. 원형은 뾰족한 모서리가 없어 부딪혀 이가 빠지거나 금이 갈 위험이 적고, 열도 더 고르게 받는다.

그래서 산업 전체가 재료부터 장비, 운반 박스까지 ‘둥근 웨이퍼’를 중심으로 만들어져 있다.

칩은 네모난데, 가장자리는 어떻게 될까?

네모난 칩을 둥근 웨이퍼 위에 늘어놓으면 가장자리에는 칩이 온전히 들어가지 못하는 곳이 반드시 생기고, 가장자리의 이런 불완전한 칩은 실제로 일부 낭비된다. 웨이퍼가 클수록 가장자리 테두리가 전체에서 차지하는 비율은 작아진다. 피자가 클수록 테두리 빵이 차지하는 비율이 작아지는 것과 같다. 이것이 웨이퍼가 작은 크기에서 시작해 지금 가장 흔한 300mm(12인치)까지 커진 이유 가운데 하나다. 더 큰 이유는 웨이퍼 한 장에서 한 번에 더 많은 칩을 만들 수 있는데도 장비, 인력, 운영 비용은 그만큼 늘지 않아, 칩 하나에 돌아가는 비용을 낮출 수 있기 때문이다(12인치, 8인치 웨이퍼란 무슨 뜻일까? 참고).

가장자리는 공정에서도 가장 관리하기 어려운 곳이다. 도포, 식각, 박막은 가운데와 가장자리에서 늘 조금씩 차이가 나므로, 가장자리 칩은 원래 불량이 나기 쉽다. 웨이퍼 맵을 보면 바깥 테두리에 불량 칸이 더 많은 경우를 흔히 볼 수 있다.

웨이퍼의 작은 홈은 무엇일까?

웨이퍼를 자세히 보면 가장자리에 작은 홈이 하나 있다(작은 웨이퍼는 짧은 직선 구간을 잘라 낸 형태다). 이것은 결정 배열의 방향을 나타낸다. 장비는 이 홈을 기준으로 웨이퍼를 모두 같은 각도로 돌려 놓아야 노광과 다이싱을 정확하게 맞출 수 있다. 원형은 장점이 많지만 돌리면 방향을 구분할 수 없는데, 이 홈이 그 점을 보완한다.

fab24hr에서는

fab24hr의 웨이퍼는 지름 30cm(12인치)의 원판이며, 한 박스(FOUP)에 25장이 들어간다. 식각 장비 앞에서 한 장을 리워크할지 정하고, 계측 장비에서 웨이퍼 맵을 보고, 클린룸에서 넘어져 한 장을 깨뜨릴 수도 있다. 게임 속 회사, 인물, 숫자는 모두 가상이다. 웨이퍼가 어떻게 만들어지는지, 왜 둥근지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다.