편하게 보는 전자공학 블로그

공부 출처는 삼성 반도체이야기, 네이버 빛의 디스플레이 블로그를 주로 참고했습니다.

반도체의 공정은 크게 8가지로 구성되어 있어 8대공정이라 불립니다.

웨이퍼 공정 - 산화공정 - 포토공정 - 식각공정 - 박막공정 - 금속공정 - EDS 공정 - 패키지 공정

이번 글은 박막공정에 대해서 다뤄보겠습니다.

박막증착공정(Thin film Deposition)

우선 박막(Thin film)은 1um이하의 매우 얇은 막을 말합니다. 박막은 매우 미세하기 때문에 정교하고 세밀한 기술이 필요합니다.

반도체 공정에서는 원하는 전기적 특성을 가지기 위해 분자 또는 원자 단위의 물질을 박막 단위로 촘촘히 쌓습니다.

그리고 분자 또는 원자 단위의 물질을 쌓는 것을 증착이라고 합니다.

이 증착은 방법에 따라서 물리기상증착법(PVD), 화학기상증착법(CVD)으로 나뉩니다.

물리기상증착법은 주로 금속증착에 사용하고 화학기상증착법은 실리콘, 유전체 증착에 사용합니다.

물리기상증착법에는 Thermal Evaporation, E beam Evaporation, Sputtering 가 있습니다.

Thermal Evaporation = 열을 통해 증착 물질을 증발시켜 기판에 증착

https://www.researchgate.net/figure/265051181_Schematic-of-thermal-evaporation-40

E beam Evaporation = 전자빔을 통해 증착 물질을 증발시켜 기판에 증착

http://civilengineersforum.com/8-electron-beam-evaporation-facts/

Sputtering = 플라즈마를 이용하여 기판에 증착

http://lnf-wiki.eecs.umich.edu/wiki/Sputter_deposition

화학기상증착법에는 대표적으로 APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD, ALCVD가 있습니다.

현재는 화학기상증착법을 많이 사용하고 특히 그 중에서도 플라즈마 CVD (PECVD)를 저온에서 형성 가능하고 두께 균일도를 

조절할 수 있고 대량 처리가 가능하다는 이유 때문에 가장 많이 사용합니다.

https://www.oxford-instruments.com/products/etching-deposition-and-growth/plasma-etch-deposition/pecvd

Sputtering과 PECVD가 헷갈렸는데 Sputtering은 플라즈마 상태를 물리적으로 이용하여 Ar+기체가 Target을 때려 나온 부스러기가 증착되는 

과정이고 PECVD는 증착시킬 기체를 플라즈마 상태로 만들어 화학적으로 기판에 증착하는 과정입니다. 

HDPCVD, ALCVD 둘다 Step coverage를 좀 더 개선하기 위한 과정입니다.

HDPCVD는 증착, 식각을 동시에 진행하는데 이 비율을 잘 조절 함으로써 공간이 확보되어 Void(빈공간 = 결함)를 더 잘 피하게 됩니다.

ALCVD는 기판에 붙어있는것만 반응식을 통해 증착되어 거리에 상관없이 균일한 박막을 쌓을 수 있지만 한층 한층 쌓기 때문에 속도가 느립니다. 

https://www.materialstoday.com/nanomaterials/comment/chemistry-at-the-bottom-atomic-layer-deposition/

이렇게 크게 PVD(물리), CVD(화학), ALD(원자층)라고 분류합니다.

증착 시 중요한 부분은 전기적, 물리적 특징과 두께 균일도, Step coverage 입니다.

화학기상증착법이 step coverage가 더 좋은데 step coverage는 쉽게 얼마나 고르게 박막이 되었는가 라고 생각하면됩니다.

step coverage = s1/t, s2/t

Aspect ratio = 종횡비 , 높을수록 균일화가 어렵다.

이 밖에도 스핀 온 글라스, 도금이 있습니다.

스핀 온 글라스는 감광액을 도포할 때 처럼 회전력을 이용한 과정입니다.

수평적인 유전체 증착에 주로 사용합니다.

증착시 위와 같이 빈 공간이 생기게 되면 결함입니다. 빈 공간은 void라고 불립니다. 

균일하지 못하게 증착이 일어나면 Void가 생깁니다.

증착공정을 통해 형성된 박막은 전기적인 신호를 연결해주는 금속막과 

내부 연결층을 전기적으로 분리하거나 오염원으로부터 차단해주는 절연막층으로 구분됩니다.

그리고 박막은 높은 온도에서 품질 좋은 박막이 형성됩니다. 높은 온도로 움직일 수 있는 에너지를 갖고 움직이다가 

가장 안정된 위치에 결합될 확률이 크기 때문입니다.

속도에는 상관이 없습니다. 확산 속도를 높여주면 속도가 증가합니다!

학부 인턴을 하면서 공부했던 CCD 와 CMOS에 대해서 써보겠습니다.

CCD와 CMOS는 이미지센서인데 디지털 카메라에 사용됩니다.

이미지는 제가 발표할 때 썼던 자료입니다.

먼저 DSLR의 원리부터 보고 가겠습니다.

DSLR은 디지털 일안 반사식 카메라(digital single-lens reflex camera)로 필름대신 이미지센서인 CCD나 CMOS를 사용한 디지털 카메라입니다.

먼저 관찰자는 뷰파인더를 통해 물체를 봅니다. 물체에 반사된 빛이 렌즈로 들어오고 

45도 기울어진 거울을 통해 반사되어 펜타 프리즘을 거쳐 관찰자의 눈에 도달하여 물체를 뷰파인더를 통해 볼 수 있습니다.

펜타프리즘은 물체의 상이 거울에 반사되어 반대로 보이는걸 방지해줍니다.

관찰자가 카메라의 버튼을 누르면 거울이 순간적으로 위로 붙게 됩니다.

그러면 관찰자는 순간적으로 뷰파인더를 통해 물체의 상을 보지 못하고(거울이 위로 붙어 반사되지 못함) 

물체의 상은 렌즈를 통해서 이미지 센서로 도달하게 됩니다.(거울이 위로 붙어 반사되지 않고 통과함)

요새 많이 사용하는 미러리스 카메라 입니다.

미러리스는 미러와 펜타프리즘을 제거하여 크기와 무게를 줄인 카메라입니다.

원리는 항상 셔터가 열려있는 상태에서 물체에 반사된 빛이 렌즈를 지나고 셔터를 지나 이미지 센서로 들어갑니다.

그래서 관찰자는 디스플레이를 통하여 물체를 볼 수 있고 관찰자가 버튼을 누르면 순간적으로 셔터가 닫혔다가 열렸다가 닫혔다가 다시 열립니다.

이 닫혔다가 열렸다가 닫히는 순간 들어온 빛이 이미지가 되어 저장되는 것입니다.

DSLR, 미러리스의 셔터 과정은 아래의 링크에서 시각적으로 쉽게 확인할 수 있습니다.

https://www.premiumbeat.com/blog/how-camera-shutters-work/

https://www.youtube.com/watch?v=nxUDHcZl1uo

CCD, CMOS의 원리를 잘 설명해주는 유튜브 영상입니다.

CCD(Charge Coupled Device)는 빛에너지로 발생한 전하를 축적 후 전송하여 최종단에서 전하가 전기신호로 증폭되어 전환됩니다.

여기서 Photo Diode는 빛에너지를 전하로 바꾸어주는 역할을 합니다.

LED는 전하와 정공이 만나 빛에너지를 방출하는데 반대로 생각하시면 편할 거 같습니다.

CMOS(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)는 빛에너지로 발생된 전하를 바로 전기신호로 증폭하여 전송합니다.

CMOS는 전하를 전송하는 소자가 아니라 디지털 신호를 전송하기 위해 개발된 소자여서 전하의 손실이나 변형이 있습니다.

하지만 기술의 발전으로 노이즈 특성을 제외하곤 화질의 차이는 거의 극복한 상태입니다.    

CMOS는 일반 반도체 공정인 CMOS 공정을 사용하여 가격 경쟁력이 있고 이미지 센서와 주변 회로를 원칩화 할 수 있어 소형화와 관리에 유용합니다.

CMOS는 집적도가 높고 저전력이라 스마트 기기 시장에서 많이 사용됩니다.

마지막으로 CCD, CMOS 장단점을 정리한 표입니다.

최근 CMOS의 단점이 많이 개선되고 낮은 전력 소비, 발열량, 제조단가로 CCD보다는 CMOS가 계속 많이 쓰일 것으로 생각됩니다.

요새 관심이 많은 LED에 대해 써보겠습니다.

LED(Light Emitting Diode)는 발광다이오드라고도 합니다.

LED는 반도체를 이용한 PN접합 구조로 만들어져 있고 여기서 LED는 화합물 반도체입니다.

보통 알고있는 반도체는 한 종류의 원소(실리콘, 게르마늄)로 이루어져 있는 단원소 반도체인데  

LED는 Ga(갈륨), P(인), As(비소) 등을 주로 사용하여 2가지 이상의 원소로 이루어져 있는 반도체입니다. (주로 GaAs, GaP, GaN 등)

그리고 이 2가지 이상의 원소로 이루어져 있는 반도체를 화합물 반도체라고 합니다.

이 원소들의 조합에 의해 LED의 빛의 색이 정해집니다.

이제 LED가 빛을 어떻게 내는지 알아보겠습니다.

우선 LED와 구조가 비슷한 다이오드를 먼저 익히시면 많은 도움이 될겁니다!

http://kkhipp.tistory.com/8?category=794292

위 링크는 다이오드 글입니다.

우선 LED는 PN접합(P형 반도체 + N형 반도체) 반도체 구조인데 P형 반도체에는 정공(Hole)이 많고 N형 반도체에는 자유전자가 많습니다.

이제 정방향으로 전압을 걸어주면 전류가 흐르게 되는데 여기서 불안정한 자유전자와 정공이 결합하게 됩니다.

이때 불안정한 자유전자가 결합하면서 에너지를 방출하는데 이 에너지가 빛에너지 형태로 방출됩니다.

이러한 원리로 LED가 빛을 내는겁니다. 

출처: 위키백과

위 그림은 빛을 내는 과정을 그림으로 표현한 것 입니다.

만약 역방향 바이어스로 전압을 걸어주면 전류가 흐르지 않아 빛이 나오지 않고 

너무 큰 전압을 정방향, 역방향으로 걸어주면 LED가 고장납니다.

LED는 전류가 많이 흐르면 고장이 잘 나기 때문에 회로를 구성할 때 LED에 맞는 저항을 꼭 잘 사용하실길 바랍니다.

LED는 기존의 형광등, 백열등에 비해 많은 장점이 있어 요즘엔 대부분 LED를 사용합니다.

장점

-긴수명 (기존의 형광등, 백열등에 비해 매우 긴 수명을 가지고 있습니다.)

-내구성 (진동, 충격에 강합니다.)

-에너지효율 (저전력이라 에너지 효율이 뛰어납니다.)

-친환경(형광등 수은)

무선 충전 관련해서 인턴을 할때 LED를 많이 사용해봤는데 아주 다양한 LED가 있었습니다.

1W 이상의 아주 밝은 LED가 있었는데 방열판에 땜을 하여 사용했던 기억이 납니다. 

검색해보니 1W 이상의 LED는 하이파워LED라고 부르며 가로등이나 차량 부품으로 많이 사용한다고 합니다.

1W 미만은 미들파워라고 부른다고 합니다.

그리고 그냥 일반 DIP형 LED와 똑같이 생겼는데 LED색이 계속 바뀌는 LED가 있었습니다.

https://www.superbrightleds.com/moreinfo/through-hole/rgb-fast-color-changing-led-2/1041/#tab/Specifications

검색해보니 아주 조그만한 칩이 있어 그 칩이 여러개의 LED를 제어하여 색이 변하는 원리였습니다. 

육안으로는 칩이 확인이 불가능해서 신기했습니다.

제가 최근에 LED에 관심을 가지게 된 이유는 라이파이와 농사 때문입니다.

라이파이는 차세대 통신 방법인데 LED의 깜빡임으로 데이터를 통신하여 인터넷을 사용하는 것입니다.

http://kkhipp.tistory.com/18?category=794295     

라이파이 관련글입니다 참고바랍니다.

그리고 미래에는 농사에 LED가 많이 사용될 것으로 생각됩니다.

LED로 수확의 시기를 조절하고, 수확량을 늘리고 해충의 피해도 줄일 수 있기 때문입니다.

알쓸신잡2에서 들은 이야기로는 자율주행자동차가 사용화되면 차량의 필요 수가 줄어 주차장의 필요가 줄어들게 됩니다.

따라서 지하 주차장의 공간을 다양한 용도로 사용 가능한데 여기서 LED로 농사를 지을수도 있다는 말이 기억에 남습니다. 

이번엔 LED, 영상처리 관련 발표를 할 때 공부했던 색의 3속성과 조도, 휘도, 광속, 광도에 대해서 알아보겠습니다.

자료는 네이버(여러 블로그, 사전), 구글링한 자료를 제가 정리했습니다.

색의 3 속성에는 색상, 명도, 채도가 있습니다.

미술시간에 배웠던 기억이 나는데요.

영상처리를 하기 전 기본적으로 알고 있으면 좋습니다.

먼저 색상 HUE 입니다.

말 그대로 색깔 이라고 생각하시면 됩니다.

빨강과 파랑 그 색의 성질에 따라 이름을 정해놓았는데요. 그 성질을 색상이라고 합니다.

명도는 색의 밝은 정도입니다.

검은색은 예로들면 흰색은 검은색에서 명도가 가장 높고 그 다음 회색, 마지막으로 검정색 순서로 명도가 높습니다.

명도를 검정=0, 흰색=10으로 11단계로 나눌 수 있고

실제로 프로그래밍 할 때 이전에 포스팅했던 grayscale을 예로 들면 RGB값을 평균내어 흑백화 하는데 이는 명도를 나타냅니다.

여기서는 보통 검정=0, 흰색=255로 256단계 8비트입니다.

채도는 색의 진하기 정도라고 보면 됩니다.

흰색, 검정색, 회색은 채도가 없는 무채색이라 부릅니다. 명도만 가지고 있는 색이죠.

오른쪽 아래를 보면 채도를 이해하기 쉬운데 오른쪽으로 갈수록 노랑색이랑 가까워 채도가 높다고 할 수 있습니다.

색의 3속성을 입체적으로 표현한 그림입니다.

Z축은 명도를 나타내며 원판에서 Z축으로 가까워질수록 채도가 낮아집니다.

원판의 각도에 따라서 색상이 변하고 축과의 거리에 따라 채도, 축의 높이에 따라 명도가 바뀝니다.

광속은 전구에서 방출되는 빛의 총량이라고 보시면 되고 단위 기준은 1미터 거리의 초에서 나오는 빛의 양으로 잡았습니다.

전구 판매 정보를 보면 lm 정보를 확인할 수 있습니다.

조도는 단위 면적에 입사되는 빛의 양을 말하고 단위는 럭스입니다.

럭스는 단위면적당 루멘이라고 보시면 됩니다.(1lux = 1lm/m^2 )

따라서 럭스의 기준도 초입니다.

광도는 특정한 방향으로 나오는 빛의 세기이며 단위는 칸델라 입니다.

휘도는 단위 면적에서 반사되는 빛의 양이고 반사되는 빛을 사람이 보기 때문에 눈부심의 정도라고도 표현합니다.

빛의 밝기를 총 정리한 그림입니다.

먼저 위를보면 전구에서 나오는 광속이고 광도는 광속에 각도의 개념을 더했습니다.

조도는 단위면적에 도달하는 빛의 양이고 휘도는 단위면적에서 빛이 반사되는 정도입니다.

공부 출처는 삼성 반도체이야기를 주로 참고했습니다.

반도체의 공정은 크게 8가지로 구성되어 있어 8대공정이라 불립니다.

웨이퍼 공정 - 산화공정 - 포토공정 - 식각공정 - 박막공정 - 금속공정 - EDS 공정 - 패키지 공정

이번 글은 포토공정 , 식각공정에 대해서 다뤄보겠습니다.

포토공정(Photo Lithography)

먼저 포토공정이란 웨이퍼 위에 회로 패턴을 만들어 넣는 기술인데 과정이 

필름카메라로 사진을 찍어 현상하는 방법이랑 동일하여 포토공정이라 부릅니다.

이 현상하는 과정을 간단히 설명하면 빛에 반응하는 물질을 얇게 바른 후 패턴 마스크를 올려두고 

빛을 가해 원하는 패턴을 새기는 형식입니다.

보통 이 패턴은 CAD를 통해 설계합니다. 이 패턴은 순도가 높은 석영을 가공해서 만든 유리판 위에 그려서 마스크로 만들어 집니다.

여기서 이 마스크는 웨이퍼의 크기보다 크게 제작하는데 이 이유는 나중에 빛을 가할 때 먼지의 영향을 축소하기 위함입니다. 

먼저 웨이퍼를 세척 후 감광액을 도포하기 위해 물기를 제거합니다.(Baking 과정) 

그후 웨이퍼에 빛에 반응하는 물질인 감광액을 도포합니다. 이 감광액은 PR(Photo Resist)라고 씁니다.

이 감광액은 Positive PR, Negative PR로 나뉩니다.

Positive PR은 빛에 노출된 부분이 화학적인 분해로 인해 현상액에 제거되고 

Negative PR은 빛에 노출되지 않은 부분이 현상액에 제거됩니다.

미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광막이 얇고 균일하며 자외선에 대한 감도가 높아야 합니다.

감광막을 균일하게 얻기 위해서 감광액을 웨이퍼에 놓은 후 웨이퍼를 회전시켜 회전력을 통해서 감광액을 도포합니다.

그 후 Soft bake를 통해 Solvent(PR 보관을 위해 빛에 반응하지 않는 용액)를 제거합니다.

그리고는 웨이퍼를 빛에 반응하게 하는 노광 작업을 진행합니다.

노광 작업 후에는 현상 작업입니다. 

현상 작업은 현상액으로 만약 Positive PR을 사용했다면 빛에 노출된 부분을 제거하고

Negative PR을 사용했다면 빛에 노출되지 않은 부분을 제거합니다.

식각공정

원하는 회로패턴을 구현하는 과정을 식각공정(Etching)이라고 합니다. 포토공정 후 회로를 제외한 부분을 깍아내는 과정이죠.

어릴 때 미술시간 때 해보았던 동판화 에칭과정과 비슷합니다.

동판화 에칭은 동판을 송곳으로 긁어내고 질산으로 부식을 하여 이미지를 만드는 과정입니다.

여기서 반도체 에칭은 송곳 대신 포토공정으로 부식 방지막을 형성하고 

질산 대신 액체(습식)나 기체(건식)으로 회로패턴을 제외한 부분을 제거합니다.

건식이 습식보다 비싸고 까다롭지만 좀 더 미세하고 정확하기 때문에 현재는 건식을 더 많이 사용합니다.

그리고 건식은 비등방성 습식은 등방성입니다.

https://www.el-cat.com/silicon-properties.htm

왼쪽이 비등방성 오른쪽이 등방성입니다.

이 건식 식각은 플라즈마 식각이라고도 합니다.

플라즈마 식각은 진공상태의 챔버에 Gas를 주입하고 전기 에너지를 공급하여 플라즈마를 발생시켜 

이 플라즈마가 회로를 제외한 부분을 제거합니다.

플라즈마란 고체, 액체, 기체와 더불어 제 4의 물질상태로 불리는 상태입니다.

기체상태의 물질에 계속 열을 가해 만든 이온핵과 자유전자로 이루어진 입자들의 집합체입니다. (네이버 지식백과 두산백과)

쉽게 말해 분자상태가 아니라 이온으로 분리된 상태입니다.

우주는 대부분 플라즈마 상태입니다.

이 플라즈마 식각은 웨이퍼 표면 식각의 균일도, 식각 속도, 식각비, 형상을 중요시 합니다.

여기서 식각비는 식각층의 식각속도/마스크 층, 하부 층의 식각속도 이고 식각비는 클수록 좋습니다. 

다음 글은 박막공정, 금속공정에 대해 알아보겠습니다!! ㅎ

반도체에 관심을 가지게 되면서 메모리에 대해서 정리하고 싶은 마음이 들어서 정리해보았습니다. 

삼성 반도체 이야기가 도움이 많이 되었습니다.

http://makeshare.org/bbs/board.php?bo_table=Parts&wr_id=24

롬 ROM (read only memory)

한 번 기록된 정보를 읽을 수만 있고 수정할 수 없는 메모리입니다. 고정 기억 장치라고도 부릅니다.

롬은 전원이 공급되지 않아도 기록된 정보가 지워지지 않으므로 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory)라고도 합니다.

아이폰 64GB 이런게 롬 ROM 입니다.

롬은 정보를 다시 쓰고 지울 수 있는 방식에 따라 MASK ROM, PROM, EPROM, Flash Memory 등으로 구분됩니다.

MASK ROM은 가장 기본적인 ROM이며 제조과정에서 미리 내용을 기록해 놓은 메모리로, 사용자가 내용을 수정할 수 없는 롬입니다.

PROM은 사용자가 한 번 기록할 수 있는 롬이고,  EPROM은 필요 시 기억된 내용을 지우고 다른 내용을 기록할 수 있는 롬이다. 

EPROM은 강한 자외선으로 데이터를 지우는 UVEPROM, 전기적인 기능으로 데이터를 지우는 EEPROM으로 나뉩니다. 

램 RAM (random access memory)

정보를 기록하고 기록해 둔 정보를 읽거나 수정할 수 있는 메모리입니다.

램은 전원이 끊어지면 기록된 정보도 날아가기 때문에 휘발성 메모리(Volatile Memory)라고도 합니다.

일반적으로 컴퓨터 살 때 4GB 8GB 길다란 막대기 처럼 생긴게 램 RAM 입니다!!

램은 'Random Access Memory'의 약자로 기억된 정보를 읽고 다른 정보를 기억시킬 수도 있습니다. 

어느 위치에 저장된 데이터든지 접근하는데 걸리는 시간이 동일합니다.(하드 디스크, 플로피 디스크는 다릅니다.)

램에 저장되어 있는 데이터는 컴퓨터가 작동하는 동안에만 유지되며, 컴퓨터의 전원이 꺼지면 램에 있는 데이터는 사라집니다.

따라서 램은 주로 컴퓨터의 주기억장치, 응용 프로그램의 일시적 로딩, 데이터의 일시적 저장에 사용됩니다.

대표적인 램의 종류에는 일정 시간마다 자료 유지를 위해 리프레시가 필요한 D램과 

전원이 공급되는 한 기억정보가 유지되는 S램이 있습니다.

D램 (동적 메모리, Dynamic Random Access Memory)

용량이 크고 속도가 빠르기 때문에 컴퓨터의 주력 메모리로 사용되는 램입니다.

D램은 전원이 차단될 경우 저장된 데이터가 소멸되는 휘발성 기억소자이며, 

시간이 지나면서 축적된 전하가 감소되기 때문에 전원이 차단되지 않더라도 저장된 데이터가 자연히 소멸되는 단점이 있습니다.

따라서 D램은 일정 시간마다 데이터를 유지해주는 기능인 리프레시가 필요합니다.

D램은 정보를 저장하는 방인 셀을 가지고 있는데, 메모리셀은 트랜지스터와 커패시터 각각 1개로 구성됩니다. (고밀도 집적에 유리)

커패시터는 전하의 유무에 따라 디지털 정보의 기본 단위인 0 혹은 1이라는 정보를 저장하고 

이 두 숫자를 판별하는 방식으로 데이터를 저장합니다.

하지만, 시간이 지나면서 커패시터의 전자가 누전되어 데이터를 유지하는 시간이 짧아집니다.

이를 방지하기 위해서 커패시터에 주기적으로 리프레시(재생)를 시켜 데이터를 상기시켜 줍니다.

램 종류 중에서는 현재 디램을 주로 쓰고 있습니다. 삼성과 하이닉스가 디램 시장을 잡고 있습니다.

S램 (정적 메모리, Static Random Access Memory)

전원을 공급하는 한 저장된 데이터가 보존되는 램입니다.

S램은 전전원이 공급되는 한 데이터가 보존되기 때문에 D램과 달리 리프레시가 필요없습니다.

S램은 여러 개의 트랜지스터가 하나의 셀을 구성하기 때문에 데이터를 이동시키는 통로가 많아 D램보다 데이터 처리속도가 빠릅니다. (약 5배) 

하지만, 데이터를 저장하는 셀의 크기가 커 동일 면적에 대한 집적도가 낮고 회로구조가 복잡하여 대용량으로 만들기 어렵습니다. 

따라서 같은 집적도의 D램보다 고도화된 기술을 요구하고 이러한 특징들로 인해 가격이 비싸며 그래픽카드 등 

주로 소용량의 메모리로 사용됩니다.

플래시 메모리

전원이 끊겨도 데이터를 보존하는 특성을 가진 반도체입니다.

전원이 꺼지면 기억된 정보를 모두 잃어버리는 메모리 반도체인 D램, S램과 달리 

플래시 메모리는 데이터를 보존하는 비휘발성 메모리의 일종입니다.

플래시 메모리는 전기적인 방법으로 정보를 자유롭게 입출력할 수 있으며, 전력소모가 적고 고속프로그래밍이 가능합니다.

또한 부피가 작고 충격에 강하다는 장점이 있습니다.

일반적으로 D램은 트랜지스터 1개와 커패시터 1개로 셀이 구성되지만, 플래시 메모리는 트랜지스터 1개로 하나의 셀을 구성한다.

전원이 꺼지더라도 저장된 데이터를 보존하는 롬(ROM)의 장점과 정보의 입출력이 자유로운 램(RAM)의 장점을 동시에 가지고 있습니다.

이 때문에 디지털 카메라, MP3, 휴대전화, USB 드라이브 등 휴대형 기기에서 대용량 정보 저장 용도로 사용됩니다.

플래시 메모리는 반도체 칩 내부의 전자회로 형태에 따라 NAND(데이터 저장)형과 NOR(코드 저장)형으로 구분됩니다. 

낸드플래시는 용량을 늘리기에 쉽고, 노어 플래시는 읽기 속도가 빠른 장점을 가지고 있다. 

낸드 플래시 메모리 (NAND Flash Memory)

반도체의 셀이 직렬로 배열되어 있는 플래시 메모리의 한 종류입니다.

낸드 플래시는 저장단위인 셀을 수직으로 배열하는 구조이기 때문에 좁은 면적에 많은 셀을 만들 수 있어 대용량화가 가능합니다. 

또한 데이터를 순차적으로 찾아가 읽기 때문에 노어 플래시보다 읽기 속도는 느리지만, 

별도로 셀의 주소를 기억할 필요가 없어 쓰기속도는 훨씬 빠릅니다.

이처럼 낸드 플래시는 소형화, 대용량화가 가능하기 때문에 다양한 모바일 기기 및 전자제품의 저장장치로 사용되고 있다.

삼성이 현재 시장을 잡고 있습니다.

노어 플래시 메모리 (NOR Flash Memory)

반도체의 셀이 병렬로 배열되어 있는 플래시 메모리의 한 종류입니다.

노어 플래시는셀을 병렬로 배열하는 구조이기 때문에 데이터를 빨리 찾을 수 있어 

낸드 플래시보다 읽기속도가 빠르고 데이터의 안전성이 우수합니다. 

하지만 각 셀의 주소를 기억해야 하기 때문에 회로가 복잡하고, 

이로 인해 데이터를 저장할 수 있는 공간이 좁아 대용량화가 어렵습니다. 

또한 셀의 주소를 찾아 써야하기 때문에 낸드 플래시보다 쓰기속도가 느립니다.

메모리 최강자 한국 짱짱~~~

이번 글은 반도체 집적회로의 제조공정에 대해서 알아보겠습니다.

공부 출처는 삼성 반도체이야기를 주로 참고했습니다.

먼저 집적회로(IC)는 하나의 기판에 트랜지스터, 저항, 콘덴서, 다이오드 등을 초소형으로 집적으로 회로를 구성한 칩을 말합니다. 

장점은 소형화, 가격 절감, 기능 확대가 있고 단점은 전압, 전류, 열에 약하다는 단점이 있습니다.

전압, 전류, 열 같은 경우 제품을 만들 때 중요하기 때문에 DataSheet를 보고 유의하여 살펴봐야합니다.

반도체의 공정은 크게 8가지로 구성되어 있어 8대공정이라 불립니다.

웨이퍼 공정 - 산화공정 - 포토공정 - 식각공정 - 박막공정 - 금속공정 - EDS 공정 - 패키지 공정

웨이퍼 공정

웨이퍼(Wafer)란?

웨이퍼란 반도체 소자 제조의 재료입니다. 실리콘(Si), 갈륨아세나이드(GaAs)등을 성장시켜 얻은 

단결정 기둥(잉곳, Ingot)을 얇게 썬 원판입니다.

이 원판은 집적회로를 새기기 위한 도화지라고 보시면 됩니다.

실리콘을 모래에서 추출한 다음 정제과정이 필요합니다. 그래서 실리콘을 녹인 후 정제하여 실리콘 용액을 만든 후에 

실리콘 기둥 즉 잉곳을 만듭니다.

실리콘을 녹이는 온도는 약 1400도이고 녹인 후 결정을 성장시키는 데에는 쵸크랄스키법(CZ,Czochralski) 성장법, 

플로팅 존(FZ,Float zone) 성장법을 주로 이용합니다. 

우선 잉곳의 양 끝을 절단한 후 원판형으로 자르기 위해 원통 바깥쪽의 울퉁불퉁한 부분을 잘라냅니다.

그 후 다이아몬드나 와이어로 얇게 썰어내 웨이퍼를 만들어 냅니다.

그리고 원하는 두께로 깎아내는 래핑(Lapping), 모서리를 깎아내는 엣지 그라인딩 , 연마(Polishing)과정이 있습니다.

연마 과정은 깎아낸 웨이퍼 표면에 흠이 많고 거칠어서 IC으로 바로 사용할 수 없기 때문에 합니다.

그리고 이 웨이퍼의 크기가 크면 클수록 한 번에 생산할 수 있는 IC칩수가 증가합니다. 

산화공정

산화공정은 웨이퍼 표면을 보호하기 위해 웨이퍼 표면에 산화막(SiO2)을 형성하는 과정입니다.

순수한 실리콘 웨이퍼는 부도체이기 때문에 불순물을 주입하여 반도체의 성질을 갖게 해야합니다.

산화막은 원하지 않는 불순물의 침입을 막게 해줍니다.

이 산화막은 오염물질이나 불순물로부터 웨이퍼 표면을 보호해줍니다. 

오염물질이나 불순물이 실리콘에 침투하게 되면 비저항, 전도율, 전기적 특성이 변화하여 산화막은 중요한 역할을 합니다.

이런 산화막이 형성되는 두께에는 도핑농도, 압력, 시간, 온도와 같은 여러 변수가 적용됩니다.

산화막을 형성하기 전에 표면 불순물을 제거하는 Wafer Cleaning 과정이 있습니다.

일반적으로 산화막은 약 1000도에서 수증기나 산소와 같은 산화제를 웨이퍼 표면에 뿌려 형성합니다.

산소를 산화제로 쓰는 경우 건식 산화(Dry oxidation) 수증기를 산화제로 쓰는 경우 습식 산화(Wet oxidation)으로 분류합니다.

건식 산화는 습식 산화보다 속도는 느리지만 산화막의 질이 좋다는 장점이 있습니다. 

건식 산화는 산화막을 얇게 만들 때 주로 사용합니다. 

습식 산화는 속도가 빠르고 산소와 수증기 모두 사용하므로 두꺼운 산화막을 만들 때 주로 사용합니다.

저번 시간에 Grayscale에 대해서 알아보았는데요

흔히 Grayscale 다음에 하는 작업인 Edge Detection에 대해 알아보겠습니다.

엣지 디텍션 즉 윤곽선 검출은 사진에서 원하는 정도의 윤곽선을 검출해 내는 작업입니다.

저는 대외활동에서 이 엣지 디텍션을 로봇이 길의 경계선을 보고 수평을 맞추는데에 사용했습니다.

윤곽선 검출을 통해서 길의 경계선을 보고 기울기를 판단하여 수평을 맞추는 작업을 했었습니다.

엣지 디텍션은 비교적 쉬운 기법으로 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.

먼저 윤곽선 즉 에지에 대한 개념을 알고 가겠습니다.

윤곽선(Edge)이란?

다른 명암도를 가진 경계선, 픽셀의 밝기가 임계값(Threshold) 보다 크게 변하는 경우

그러면 영상에서 윤곽선은 어떻게 찾느냐!

밝기의 변화량 가지고 찾는데 변화량은 미분을 통해서 알 수 있습니다. 

1차 미분 값에서 기울기의 크기로, 2차 미분값에서 기울기의 부호로 밝고 어두움을 판단 할 수 있습니다.

그러면 영상에서는 미분을 어떻게 하느냐!!

바로 마스크로 합니다.

마스크란 미분 연산자와 동일한 효과를 갖는 일종의 필터입니다.

마스크엔 기본 조건이 있습니다.

- 마스크 크기의 가로 세로가 같고 홀수여야 함

- 중심을 기준으로 상하좌우가 대칭이어야 함

- 중심의 수는 항상 0 이상의 양수이다.

- 모든 수의 합은 0이어야 함

우선 대표적인 1차미분 연산인 소벨(Sobel) 마스크를 예로 들어보겠습니다.

대칭적이고 모든 수의 합은 0입니다. 왼쪽이 세로방향에 대한 마스크, 오른쪽이 가로방향에 대한 마스크입니다.

저기서 2가 1로 -2가 -1로 바뀌면 Prewitt마스크입니다. Sobel마스크가 개선된 마스크입니다.

잡음에 조금 강하고 연산속도가 느린 편입니다.

위의 그림은 3x3 크기의 마스크고 5x5 크기의 마스크도 있습니다.

로버츠(Roberts) 마스크입니다. 왼쪽이 수직 마스크고 오른쪽이 수평 마스크입니다.

위의 소벨, 프리윗 마스크에 비해 연산속도가 빠릅니다.

엣지를 확실하게 검출할 수 있지만 매우 얇은 엣지가 검출되며 잡음에 약하다는 단점이 있습니다.

위의 마스크들이 대표적인 1차미분에 관한 마스크고 이제 2차미분에 관한 마스크를 살펴보겠습니다.

2차미분인 라플라시안 마스크!

라플라시안 마스크는 다른 마스크에 비해 종류가 많습니다. 

라플라시안 마스크는 잡음에 약하기 때문에 잡음을 줄여주는 Gaussian Smoothing을 적용한 후 

라플라시안 마스크를 연산하는 LOG(Laplacian of Gaussian)을 사용하기도 합니다.

그리고 잡음에 강한 캐니(Canny) 마스크!

캐니 마스크는 다른 마스크의 응용이라고 볼 수 있습니다.

사용법은 먼저 가우시안 필터로 블러링(평활화)을 해서 잡음을 제거합니다.

위의 마스크가 가우시안 필터 마스크입니다.

그 후 소벨 마스크와 같은 마스크 연산으로 엣지를 검출합니다.

그리고 Non-Maximum Value 제거를 합니다. 이건 좀 고급과정인거 같은데 평활화를 하여서 잘못 검출된 Edge를 제거하는 과정입니다.

Local Maximum Value만 남기고 가짜 엣지는 제거하는 과정입니다. 따라서 엣지가 좀 Sharp해집니다.

최대치 판단은 주로 3x3크기에서 가운데 값을 기준으로 상하좌우값을 비교해서 가운데 값이 크면 값을 남기고 아니면 제거합니다.

다음 과정은 Double Thresholding 와 엣지 연결과정입니다.

Threshold 즉 임계값을 2개(low, high)를 잡고 높은 임계값에서 검출된 엣지를 우선적으로 최종적인 엣지로 판단합니다.

그리고 낮은 임계값에서만 검출된 엣지 중에서 최종적인 엣지와 연관된 엣지만을 최종적인 엣지로 판단하고 나머지 즉 연관성 없는, 

잡음에서 엣지로 판단된 쓰레기값들은 버립니다. 그러면 최종적인 깔끔한 엣지가 검출됩니다.  

잡음에 강하고 꽤 이상적인 엣지 검출이지만 캐니 엣지 검출은 구현이 복잡하고 연산 속도가 느리다는 단점이 있습니다.

캐니 엣지 검출은 아래의 블로그에 그림과 함께 자세하게 설명되어 있더라고요!

http://carstart.tistory.com/188

참고로 코딩에서 마스크는 주로

int mask[3][3] = { {-1, 0, 1}, 

                       {-2, 0, 2}, 

                       {-1, 0, 1} }; 로 표현합니다.

이상 여러종류의 윤곽선 검출에 대해서 알아보았습니다!

이번 글은 프로그래밍 카테고리에 필수로 있어야 한다고 생각하는 C언어에 대해서 작성해보도록 하겠습니다.

프로그래밍의 기본이자 제일 중요하다고 생각하는 C언어! C language!

C는 1972년 벨 연구소에서 켄 톰슨과 데니스 리치가 유닉스 운영체제에 사용하기 위해 개발한 프로그래밍 언어입니다.

켄 톰슨이 B언어를 만들었고 데니스 리치가 이를 개선하여 C언어를 만들었습니다.

그리고 이후 나온 무수한 프로그래밍 언어가 C언어를 기반으로 만들어졌습니다. 

따라서 C는 실질적으로 모든 컴퓨터 시스템에서 사용 가능한 언어입니다.

그래서 대학에서 프로그래밍 언어를 배울 때 C언어를 제일 먼저 배우는 거 같습니다.

현재 윈도우에서 가장 많이 사용하는 C언어 IDE는 비쥬얼스튜디오(Visual stdio)입니다.

IDE란 통합 개발 환경을 뜻하고 통합 개발 환경이란 코딩, 디버그, 컴파일, 배포 등을 하나의 프로그램에서 처리하는 환경입니다.

몰랐는데 요즘은 마이크로소프트 홈페이지에서 비쥬얼스튜디오를 아예 무료로 제공을 하더라고요.

예전엔 드림스파크에서 학교메일을 인증하고 복잡하게 무료로 설치했는데 의외의 희소식이네요!

그것도 비주얼스튜디오2017을 커뮤니티 버전으로 제공한다고 하네요!!

처음하시는 분이나 다 까먹으신 분들을 위해서 친절하게 C언어 사용법을 알려드리겠습니다! ㅎㅎ

사용법 예제로는 Hello World가 최고죠!

저는 현제 Visual Studio 2013 사용중입니다.

C파일을 만들기 위해서 먼저 프로젝트를 생성해야합니다.

메인화면에서 Start - New Project를 클릭해도 되고 메인화면이 안보인다면

탭 File - New - Project  or  Ctrl+Shift+N 단축키를 사용하셔도 됩니다.

그리고 Templates - Visual C++ - General - Empty Project를 선택하시고 원하는 프로젝트 이름을 입력하고 OK를 클릭하시면 됩니다.

그리고 Solution Explorer - 해당 프로젝트 - Source Files - 오른쪽 마우스 클릭 - add - New item 을 클릭합니다.

C++파일을 선택하시고 파일명만 .c로 바꿔줍니다. 파일명은 상관없습니다! ㅎ

위와 같이 코드를 입력해줍니다.

만약 위와 같은 검은색 결과창 cmd 창이 바로 사라진다면 return 0; 바로 윗줄에 getchar();를 추가해보세요!

그러면 문자를 입력받을 때까지 멈춰있겠다는 뜻입니다.

그러면 간단히 코드를 살펴보겠습니다.  

#include <stdio.h>

int main()

{

printf("Hello World\n");

return 0;

}

Hello World를 통해서 C언어의 기본구조를 살펴보겠습니다.

#include <stdio.h>

이 줄은 헤더파일 stdio.h를 포함하겠다는 뜻입니다.

stdio는 Standard input/output의 줄임말이며 표춘입출력 라이브러리로 다양한 입출력 함수를 내장하고 있습니다.

int main()

중요한 main 함수입니다. 저는 이 프로그램이 뭐하는 프로그램인지 확인할 때 main함수부터 들여다 봅니다.

int는 출력형태 main은 메인함수여서 main으로 함수이름을 짓고 (void) 는 입력형태입니다.

그리고 중괄호{} 안에 주요 함수들과 변수들이 위치합니다.

printf();

stdio.h에 내장되어있는 출력함수입니다.  결과창에 원하는 내용을 출력합니다.

return 0;

return은 함수가 반환하는 값을 나타냅니다.

main 함수에서는 0을 반환하고 메인함수를 종료합니다.

모두 C언어 공부 화이팅입니다!!!

BJT

BJT는 우선 이전 포스팅에서 설명한 트랜지스터를 생각하면 되겠습니다.

http://kkhipp.tistory.com/11

BJT는 Bipolar Junction Transistor의 줄임말이고 전자와 정공 모두 전류에 기여하여 Bipolar라고 합니다.

BJT는 쌍극성, FET는 단극성입니다.

N형과 P형 2개의 반도체를 접합시켜 만든 Transistor입니다.

그리고 BJT는 전류로 전류를 제어합니다! FET는 전압으로 전류를 제어합니다!

https://electronics.stackexchange.com/questions/207320/bjt-characteristic-curves-generating-them

BJT의 특성곡선입니다.

Cutoff Mode(차단영역)은 Base에 전류가 흐르지 않아 전류가 흐르지 않는 구간입니다.

또 Vbe가 0이거나 문턱전압보다 낮거나 출력전류 Ic가 0일 경우도 Cutoff Mode입니다.

Saturation Mode(포화영역)은 B-E에 순방향 전압을 주고 입력전압을 높여주면 Vce도 증가하여 전자들이 별 저항없이 베이스에서 

컬렉터로 이동합니다. Vce가 증가함에 따라 Ic가 일정하게 유지될때까지 증가합니다.

Active Mode(활성영역)  B-E에 순방향 전압, B-C에 역방향 전압일 때 전류가 비교적 일정해지며 BJT는 보통 이 구간에서 사용한다. 

http://ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp1=4574&id=173

CE는 가장 높은 이득으로 증폭되지만 반전되서 증폭되고 입력저항이 크다는 점이 특징이고

CB는 CE보다는 낮지만 높은 이득으로 증폭되고 입력저항이 작다는 점이 특징이고

CC는 전압이득은 1이지만 높은 입력저항과 높은 전류이득이 특징입니다.(버퍼)

FET

FET는 Field Effect Transistor의 줄임말로 전계효과를 이용한 트랜지스터입니다.

FET는 전자와 정공 둘 중 하나만 전류에 기여하며 전압으로 전류를 제어합니다.

P채널은 정공이 전류전도를 만들고 N채널은 자유전자가 전류전도를 만듭니다.

(BJT는 NPN,PNP라 부르고 FET는 N채널,P채널이라 부릅니다.)

스위칭 제어는 전압제어가 일반적이고 FET가 구조가 간단하고 제조단가가 저렴하기 때문에 대부분 FET가 쓰입니다.

http://www.piclist.com/images/www/hobby_elec/e_ckt30_6.htm

FET는 Gate전압에 의해 N과 P의 접합부에 공핍층이 발생하여 Channel의 폭이 넓어졌다 좁아졌다 하기 때문에 흐르는 전류가 제어됩니다. 

흔히 MOSFET을 많이 사용하는데 MOSFET은 Metal Oxide FET로 Gate 부분에 절연체를 추가 한것입니다.

동작원리를 N채널로 설명하면 Vgs가 가해지면서 Gate에 +전압이 인가되고 이로 인해 Gate쪽으로 전자가 당겨진다.

이 당겨진 전자들이 Drain과 Source사이에 채널을 형성합니다. 이 채널이 형성되면서 전류가 흐를 수 있게 됩니다.

FET의 특성곡선입니다. 우선 채널이 형성되어 있는 상태에서

Drain에 작은 전압을 인가할 때 Ohmic이라는 특성을 가지게 된다. 말 그대로 저항 같은 역할을 한다는 것이다. 

처음엔 Linear하게 전압이 상승할 때 전류도 상승하게 된다. Triode라고도 합니다.

http://fourier.eng.hmc.edu/e84/lectures/ch4/node13.html

하지만 Saturation 특성은 위와 같은 상황입니다.

하지만 Drain의 전압이 커지면서 Source쪽과 Drain쪽이 끌어당기는 정도가 달라져 Channel이 불균형하게 형성되어

Channel이 점점 좁아지면서 전류 증가량이 감소하다가 전류가 더 이상 증가하지 않게 됩니다.

이 상황을 Pinched off라고 합니다. 채널이 끊긴다고 해도 전류는 흐릅니다!