전기전자 분야에서의 재료는 절연체와 도체, 그리고 반도체로 구분됩니다. 반도체는 절연체보다는 높고 도체보다는 낮은 전기 전도도를 가지며, 도핑을 통하여 전도도를 조절할 수 있죠. 그리고, 열이나 빛, 자기장과 같은 외부로부터의 자극에 민감합니다. 주로 세라믹 계열이나 최근 유기물 반도체도 활발히 등장하고 있습니다.
반도체 물질은 원자들간의 공유 결합으로 이루어지며, 최외각 전자는 작은 에너지로도 전도대로 올라가 자유 전자가 될 수 있습니다. 가전자대와 전도대 간에 금지대가 존재하며, 에너지 밴드갭은 약 2eV 이하이죠. 전기전자 소자로는 실리콘 반도체가 주류를 이루고 있으며, 특수한 목적은 전기전자 소자, 혹은 광전 소자용으로는 화합물 반도체가 이용되고 있습니다.
반도체의 역사는 100년이 훌쩍 넘어갑니다. 반도체 공정과 기술에서 대표적인 사건들을 살펴보면, 1918년에 반도체 결정을 성장시킬 수 있는 초크랄스키 공정이 개발되었고, 이후 몇몇 결정 성장법들이 발표되었죠. 1952년에는 전기 전도도를 높일 수 있는 확산법이 발표되었고, 1957년에 사진 식각 공정용 감광액(photoresist)와 산화막 마스크, 그리고 에피택시 단결정층 성장법, 1958년에는 도핑용 이온 주입 공정, 1959년에는 하이브리드형 및 모노리식형 집적 회로 기술들이 순차적으로 개발되었습니다., 1960년대에는 상보적 금속산화물 반도체(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)가 발표되었고, 뒤를 이어서 동적(動的) 기억소자(Dynamic Random-Access Memory, DRAM), 자기정렬형 다결정 게이트 구조, 유기 금속 화학 기상 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 1970년대에는 건식 식각 공정, 분자선 화학 기상 증착법, 그리고 마이크로 프로세서 등이 개발되었죠. 1980년대 이후로 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical. Polishing, CMP), 구리 배선, 핀 전계 효과 트랜지스터(Fin-based Field – Effect Transistor, FinFET) 공정 등으로 발전을 이어오고 있습니다.
반도체 소자의 역사는 1874년, 금속-반도체 접합으로 거술러 올라가며, 이후로 1907년의 발광 다이오드, 1947년의 그 유명한 쌍극성 트랜지스터, 1949년의 p-n 접합 구조가 있죠. 1950년대에는 태양전지와 이종 접합형 쌍극성 트랜지스터, 터널 다이오드 등이 출현하며, 1960년에는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET), 1962년의 레이저, 1967년의 비휘발성 메모리 등이 등장을 하죠. 1970년대에는 디지털 카메라 등에 사용되는 센서인 전하 결합 소자(Charge-Coupled Device, CCD) 등, 1980년대 이후로 넘어오면서 단전자 트랜지스터, 초소형 전자기계장치(Micro-Electro-Mechenical System, MEMS), 집적 센서, 나노 스케일급 메모리 등으로의 발전이 현재까지 이어집니다.
실리콘 웨이퍼에 만들어지는 반도체 소자들은 실로 다양하지만, 대표적인 것들로는 저항, 다이오드, 커피시터, 트랜지스터, 이들로 이루어진 집적회로, 그리고 MEMS와 센서 등이 있습니다. 특히 전자 소자의 경우 네개의 주요 접합으로 작동을 하죠. 금속-반도체 접합, p형 반도체-n형 반도체 접합, 두 종의 사로 다른 반도체 간의 이종 접합, 그리고 금속-산화막-반도체 접합이 이에 해당하죠. 이들 4종의 접합들은 따로 또 같이 만들어져서 개별 혹은 융합 기능을 다양하게 수행을 하죠.
반도체 소자가 만들어지기까지의 과정을 살펴보면 논리 설계를 하고 이를 회로 설계로 변환하고, 컴퓨터 지원 설계(Computer-Aided Design, CAD)를 통하여 마스크 패턴을 설계하여 마스크를 먼저 만들죠. 그리고 실리콘 웨이퍼 위에 반도체를 만들어가기 시작합니다. 즉, 모래로부터 실리콘 웨이퍼를 얻고, 웨이퍼 위에 증착과 패터닝, 식각, 불순물 첨가를 반복하면서 소자를 완성하죠. 웨이퍼로부터 소자를 만들기까지의 공정을 전공정(front-end process)이라고 합니다. 전공정을 마친 후에는 소자 테스트를 하고, 칩으로 잘라내고, 도선을 연결하고 패키징을 하죠. 패키징 후에는 다시 성능 평가를 하고 통과가 되면 마침내 후공정(back-end process)이 완료되고 이로써 우리가 컴퓨터나 휴대폰 안에서 볼 수 있는 반도체 부품들이 완성됩니다.
이러한 반도체 공정들은 기본적으로 매우 깨끗한 청정실(cleanroom) 안에서 진행이 됩니다. 공정이 이루어지는 동안에 작은 먼지 하나라도 웨이퍼 위에 내려 않게 되면 전기 배선들이 끊어지고 여러 개의 소자들이 망가지게 되죠. 청정실의 청정도는 '일정한 체적 안에서의 표준 크기 미립자의 수'로 표시 됩니다. 1세제곱 피트(28.8 리터) 안에 0.5 미크론 이상의 미립자의 수로 나타내죠. 클래스(class) 1,000은 천개 이하, 클래스 100은 백개 이하입니다. 숫자가 줄어들수록 고청정 구역이라고 할 수 있습니다.
그리고, 청정실의 소자 제조 및 생산 공간(production bay)에는 웨이퍼의 반입, 반출 공간 등 작업자가 실제로 필요로 하는 부분만 설치되어 있고, 장비의 가동이나 유지를 위해 필요한 부분은 서비스 공간(service sras), 장비 안으로 공급되는 화학 약품이나 가스 등은 공급실(supply room)에 설치되 어 있습니다. 작업 공간 안으로는 필터를 통하여 정화된 공기가 유입되며, 밖으로 나가는 방식으로 기류가 흐르고 있죠. 기류 방식에는 수직 및 수평 층류, 나류 및 혼류형, 그리고 터널형 등으로 다양하지만 필터층을 천장에 설치하고 위에서 아래로 기류가 움직이는 수직층류가 많이 사용됩니다.
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