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[청년발언대] 계속해서 성장하는 “반도체” 시장, “반도체”는 어떻게 만들어지는가?

 

【 청년일보 】

◆ 반도체: 반도체, 그리고 반도체 시장의 전망


반도체란 필요에 따라 전율을 조절해서 사용할 수 있는 전기가 통하는 물질을 의미한다. 흔히 말하는 반도체 칩, 반도체 산업, 스마트폰에 들어가는 반도체 등은 반도체 직접회로를 말하는데, 이는 반도체 물질을 이용해서 전기회로의 가장 기본적인 요소를 만들어낸다. 


집적회로를 어떻게 설계하고 쌓느냐에 따라 다양한 반도체 칩이 만들어진다. 스마트폰을 예로 들었을 때, 스마트폰 안에는 통신연결을 하는 모뎀칩, 디스플레이칩, 터치스크린패널칩, 전면카메라칩, 후면카메라칩, 이어폰 모듈, 스피커칩, 근접센서, GPS, NFC, RFID, USB, 파워IC, 플래시 등등의 칩들이 구성요소로 자리 잡고 있다. 


스마트폰뿐만 아니라 컴퓨터, 노트북, 더 나아가 전자레인지나 세탁기, 청소기 등에도 반도체가 들어가며, 인공지능 기능이 들어가지 않은 가전제품이라도 전류를 통해 제품을 컨트롤하기 위한 마이크로컨트롤유닛인 MCU가 들어간다.


현재 전기차나 자율주행차가 등장하면서 더 많은 반도체가, 그리고 모든 전자제품에 AI 기능들이 들어가게 되면서 더 많은 반도체가 필요하게 됐다. 그리고 자동차 분야에서는 자동차에 들어가는 반도체 칩이 부족하다는 소식도 들려오고 있다. 


이렇듯 메모리칩에 대한 꾸준한 수요로 인해 반도체 시장은 계속해서 커지며 반도체 제조 기업은 줄지어 사상 최대 매출을 거두고 있다. 세계반도체무역통계기구(WST)는 올해 세계 반도체 매출 규모를 6,015달러(715조4842억원)로 전망하는 등 반도체 시장의 성장을 예상했다.


이렇듯 현재 산업에서 중요한 부분을 차지하는 반도체라는 물질. 그 물질을 공학자들이 어떻게 만들어가는지에 대해서 알아보고자 한다.


◆ 반도체 8대 공정


미세한 반도체를 만드는 과정은 흡사 건축을 하는 것처럼 재료를 하나하나 쌓아 올리는 과정이다. 반도체를 만드는 만드는 공정의 가장 큰 틀에는 8가지가 있으며, 웨이퍼 제조 – 산화 공정 – 포토 공정 – 식각 공정 – 박막 증착 공정 – 금속 배선 공정 – 전기적 테스트 공정 – 패키지 공정 순으로 이루어진다.


1. 웨이퍼 제조


반도체 생산의 핵심 재료는 실리콘이다. 실리콘은 보통 모래에서 추출한다. 이 실리콘을 녹여서 둥근 기둥인 규소봉으로 제작하는데, 이를 잉곳이라고 칭한다.


이 잉곳을 아주 얇고 균일한 두께로 절단해 표면을 평평하게 만드는 과정을 거쳐 웨이퍼로 만든다. 

이 웨이퍼에 회로를 새기고 작게 자르면 IC가 된다. 웨이퍼의 크기는 50mm~300mm까지 다양한 크기와 종류가 있으며, 이러한 종류와 크기는 실제로 만들어내고자 하는 소자나 회로의 집적도, 기능에 따라 선택된다.


2. 산화 공정


다음은 산화 공정이다. 반도체는 나노공정이라고 하는 아주 미세한 작업을 통해 만들어진다. 반도체 직접회로 자체도 아주 작은데 여기에 마이크로 단위 규모의 먼지가 붙게 되면 전기가 제대로 흐르지 못하고 불량 반도체가 만들어진다. 이러한 먼지로 반도체가 오염되는 것을 막아주기 위해 보호막을 만드는데, 이 과정이 산화 공정이다.


정확하게는 실리콘으로 이루어진 실리콘 웨이퍼 위에 산화가 될 물질인 산화제(물, 산소)를 주재료로 산화제에 열에너지를 공급하여 이산화규소막을 형성하는 공정이다.


웨이퍼 표면에 산소나 수증기를 뿌려서 균일한 실리콘 산화막을 형성한다. 산화막이 이후 반도체 공정 과정에서 발생하는 오염물질이나 화학물질로부터 생성되는 각종 불순물로부터 웨이퍼 표면을 보호해 준다. 


3. 포토 공정


포토 공정은 반도체 공정의 꽃이라고도 불린다. 이름과 같이 준비된 산화 페이퍼 위에 원하는 회로나 소자의 모양의 빛을 이용해 찍어내는 것이다. 웨이퍼를 만들어낸 후 처음으로 만들고자 하는 결과물을 그려내는 작업이기 때문에 미세화하기 위한 높은 수준의 기술력을 필요로 하고 또 많이 발전된 공정 중 하나이다. 


이 과정은 산화 공정을 통해 산화막이 덮인 웨이퍼에, 빛에 반응하는 액인 감광액을 발라 웨이퍼를 인화지로 만든다. 그리고 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과해 웨이퍼에 회로를 그린다. 이렇게 설계한 전자 회로 패턴이 그려진 포토마스크에 빛을 쪼아 웨이퍼에 전자회로 패턴을 찍어낸다. 웨이퍼는 향후 수백 수천 개의 반도체 칩이 되는데 이 칩 하나하나가 마스크를 통해 회로가 그려지는 것이다.


4. 식각 공정


포토 공정을 거쳐 PR을 원하는 부분만을 남겼다면, 다음은 정말 만들기 원하는 재료의 부분을 남길 차례다. 식각 공정은 포토 공정에서 형성된 감광액 부분을 남겨둔 채 나머지 부분을 벗겨내는 과정이다. 즉 포토 공정에서 그린 회로의 불필요한 회로를 벗겨내는 과정이다. 에칭이라고도 불리며, 철을 부식시켜서 그리는 동판화와 같은 원리이다. 


포토 공정에서 아무리 정확하게 감광액에 빛을 조사했다고 한들, 식각의 과정에서 실제 우리가 원하는 회로 물질을 제대로 깎아내지 못하거나, 과도하게 깎아내게 된다면 회로의 완성도와 신뢰도가 크게 떨어지게 된다. 


5. 박막 증착 공정(증착&이온주입 공정)


식각 공정이 된 웨이퍼에는 회로를 한 층만 쌓는 것이 아니라 여러 층을 쌓아 반도체를 만든다. 여러 층을 쌓아 바로 아래층의 회로와 위층의 회로가 가까워지면 서로 영향을 줄 수 있어 불량 제품이 나오게 된다. 따라서 아래층의 회로와 위층의 회로가 서로 영향을 주지 않도록 해줘야 하는데, 이 과정이 박막 증착 공정이다. 


각 층의 영향을 막기 위해 아래층 회로에 위층 회로를 쌓기 전, 절연막을 덮어주는데 이 절연막을 박막이라고 한다. 이 박막을 만드는 공정을 박막 증착 공정이라고 하는 것이다.


사용하는 방식에 따라 물리적 방법과 화학적 방법으로 나뉘며, 불순물인 각 물질의 이온을 주입해주어야 한다. 


이 과정에서 박막을 얼마나 얇고 균일하게, 원하는 깊이만큼 균일하게 넣어주었냐가 반도체 전체의 품질을 좌우할 정도로 증착 공정과 이온주입 공정은 중요하다. 


6. 금속 배선 공정


다음은 금속 배선 공정이다. 지금까지 해온 공정은 모두 반도체가 되기 위한 골격을 잡는 공정들이었다면, 최종적으로 만들어진 웨이퍼 위의 수많은 반도체 회로를 작동시키기 위한 신호를 받아올 수 있도록 금속선을 이어주어 완성시켜야 한다. 이렇듯 금속 배선 공정은 전기가 잘 통하는 금속의 성질을 이용해 반도체의 회로 패턴을 따라 전기길, 금속선을 이어주는 과정이다.


반도체 회로에 사용될 금속 배선은 저전압을 위한 전기저항이 낮은 특성, 또한 열과 화학적 반응에 특성이 변하지 않는 안전성 등 여러 가지 조건을 따져 재료를 선별하게 된다. 이러한 조건들을 모두 충족하고 많이 쓰이는 금속으로는 알루미늄, 티타늄, 텅스텐이 대표적이다.


이렇듯 금속 배선 공정은 전기가 잘 통하는 금속의 성질을 이용해 반도체의 회로 패턴을 따라 전기길, 금속선을 이어주는 과정이다.

 
7. 전기적 테스트 공정(EDS)


반도체가 거의 다 만들어졌으며, 각각의 칩이 전기가 잘 통하는지 작동이 잘 되는지 품질을 검사하는 단계이다. 이 공정을 통해 원하는 품질 수준으로 칩이 만들어졌는지 판단하고 양품과 불량품을 검사한다. 


하나의 웨이퍼에는 수백, 수천 개의 반도체 칩이 만들어지게 되며, 따라서 웨이퍼에 회로를 만드는 공정 중에 불량품이 항상 만들어질 수밖에 없다. 그렇기 때문에 원하는 동작을 생성된 반도체 칩이 몇 개나 똑바로 수행하는지를 보는 과정이 필요하게 되는 것이며, 이때 EDS 공정에서 통과되는 반도체 칩의 개수에 따라 그동안 진행됐던 공정의 수율이 계산된다.


수율이 높을수록 반도체 원가 비용을 절감할 수 있기 때문에 대부분의 반도체 기업들은 수율을 높이기 위한 연구개발을 끊임없이 진행한다.


8. 패키지 공정


8대 공정의 마지막 공정으로, 우리가 일상생활에서 볼 수 있는 칩의 모습으로 탄생시키는 작업이다. 즉, 일곱 단계의 공정을 마치고 만들어진 수천 개의 칩을 전자기기에 들어갈 수 있는 크기로 자르고 포장하는 공정이다. 


출하하기 전에 EDS 공정으로 양품, 불량품을 한 번 검토했다면 웨이퍼에서 단일 칩으로 잘라져 완벽한 반도체 제품으로 완성되기 위한 공정과 테스트를 한 번 더 거치게 된다. 전 공정을 통해서 완성된 웨이퍼 상의 반도체 회로는 베어칩(bare chip)이라고 해서 외부와 전기 신호를 주고받을 수 없고, 충격에 의해 쉽게 파손될 수 있는 상태이다. 이제 회로에 신호를 외부에서 인가할 수 있도록 길을 만들어주고 다양한 외부 환경으로부터 보호받는 형태의 양품 칩으로 만들어내는 과정인 것이다. 


위의 8단계의 핵심 공정을 살펴보았을 때, 반도체 공정은 간단하게 웨이퍼 위에 회로를 그리고 거기에 맞게 작게 자르는 공정이라고 볼 수 있다


◆ 공정에 따른 기업 분류


이러한 반도체 8대 공정을 모두 스스로 알아서 한다면 종합 반도체 기업 IDM이라고 한다. 삼성전자. SK하이닉스, 인텔, 마이크론 등이 여기에 해당된다. 또한 회로 설계대로 웨이퍼를 만들어서 그 위에 산화 공정, 포토 공정, 식각 공정 등의 공정을 통해 반도체를 만들어 주는 기업을 파운드리라고 하며, TSMC, DB하이텍 등이 있다. 그리고 마지막으로 패키징만을 하는 기업이 있으며, 앰코, 스태츠칩팩 등이 여기에 해당된다. 
 

 

【 청년서포터즈 5기 이경현 】

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