60화 까지는 반도체 전반적인 내용을 다뤄봤습니다. 이제는 좀 더 각각의 프로세스에 대해서 각 화에서 집중적으로 써보겠습니다. 61화 부터는 각각의 공정이나 프로세에 대해서 단계별로 접근해서 작성 해보겠습니다.

반도체에 대해 하나씩 공부하다 보면 어느 순간 이런 궁금증이 생깁니다.

“그래서 이 작은 반도체 칩은 도대체 어떻게 만들어지는 걸까?”

앞에서 반도체가 무엇인지, 트랜지스터는 어떤 역할을 하는지, 메모리와 시스템 반도체는 어떻게 다른지 알아봤다면 이제는 실제 제조 과정을 볼 차례입니다.

반도체 제조는 단순히 실리콘 위에 회로를 한 번 그리는 작업이 아닙니다.
실리콘 원료에서 시작해 웨이퍼를 만들고, 그 위에 아주 작은 회로를 수없이 반복해서 만들고, 필요 없는 부분을 제거하고, 새로운 물질을 쌓고, 전기적 특성을 조절한 뒤 마지막에는 하나의 칩으로 잘라 패키지에 넣습니다.

그리고 이 과정이 한두 번으로 끝나는 것도 아닙니다.

세정 → 증착 → 포토 → 식각 → 세정 → 계측 → 검사 같은 공정이 계속 반복되면서 조금씩 회로가 완성됩니다.

아래 인포그래픽을 먼저 보면 전체적인 흐름을 한눈에 이해하기 쉽습니다.

1. 반도체 제조는 크게 5단계로 볼 수 있습니다

반도체 제조공정을 처음 공부한다면 세부 공정부터 외우려고 하지 않는 것이 좋습니다.

먼저 전체 구조를 잡아보세요.

① 웨이퍼 제조 → ② 전공정 → ③ 후공정 → ④ 검사 및 테스트 → ⑤ 완제품

이 다섯 단계만 기억해도 앞으로 나오는 반도체 공정 용어가 훨씬 쉽게 연결됩니다.

① 웨이퍼 제조

반도체 회로가 만들어질 기본 재료를 준비하는 단계입니다.

출발점은 실리콘입니다.

고순도 폴리실리콘을 녹여 하나의 커다란 원통 형태인 실리콘 잉곳(ingot)을 만들고, 이것을 얇게 잘라 웨이퍼를 만듭니다.

그런데 처음 잘라낸 웨이퍼가 바로 반도체 제조에 사용되는 것은 아닙니다.

표면을 매끄럽게 연마하고 세정한 뒤 검사까지 거쳐야 합니다.

우리가 흔히 보는 반짝이는 원형의 실리콘판이 바로 이 웨이퍼입니다.

여기서 중요한 점이 하나 있습니다.

웨이퍼 자체가 완성된 반도체 칩은 아닙니다.

웨이퍼는 수많은 반도체 칩을 한꺼번에 만들어내기 위한 일종의 작업판이라고 생각하면 이해하기 쉽습니다.

2. 전공정은 웨이퍼 위에 회로를 만드는 과정입니

이제 본격적인 반도체 제조가 시작됩니다.

반도체 제조에서 가장 복잡하고 많은 시간이 들어가는 부분이 바로 전공정(Front-End)입니다.

쉽게 말하면,

“웨이퍼 위에 원하는 회로를 만들어가는 과정”

이라고 생각하면 됩니다.

그런데 회로를 한 번에 만드는 것은 불가능합니다.

아주 얇은 막을 만들고 → 필요한 부분을 표시하고 → 불필요한 부분을 제거하고 → 다시 막을 만들고 → 다시 패턴을 만들고…

이 과정을 수없이 반복합니다.

3. 산화 공정부터 시작해 볼까요?

웨이퍼 표면에 필요한 막을 만드는 대표적인 방법 중 하나가 산화 공정입니다.

실리콘 웨이퍼 표면에 산화막을 형성해 전기적으로 절연하거나 이후 공정에서 보호막 역할을 하도록 합니다.

여기서 초보자가 헷갈리기 쉬운 부분이 있습니다.

반도체 공정에서 말하는 ‘막’은 단순히 페인트를 칠하는 것과는 완전히 다릅니다.

나노미터 단위로 두께를 관리하면서 원하는 위치에 정확하게 만들어야 합니다.

두께가 조금만 달라져도 이후 공정의 결과가 달라질 수 있기 때문에 계측과 공정 제어가 굉장히 중요합니다.

4. 포토리소그래피는 회로의 밑그림을 그리는 과정입니다

반도체 제조공정에서 가장 많이 들어보게 될 용어 중 하나가 포토리소그래피(Photo Lithography)입니다.

쉽게 생각하면 웨이퍼 위에 회로의 패턴을 옮겨놓는 과정입니다.

먼저 웨이퍼에 포토레지스트(Photoresist)라는 감광성 물질을 바릅니다.

그다음 빛을 이용해 원하는 패턴을 노출합니다.

여기서 등장하는 것이 바로 노광 장비입니다.

빛을 이용해 아주 작은 회로 패턴을 웨이퍼 위에 전사하는 것이죠.

그래서 반도체 뉴스에서 EUV, DUV 같은 이야기가 자주 등장합니다.

특히 미세한 회로를 만들기 위해서는 얼마나 작은 패턴을 얼마나 정확하게 구현할 수 있느냐가 중요합니다.

5. 노광이 끝났다고 회로가 완성된 것은 아닙니다

여기서 또 하나의 중요한 공정이 등장합니다.

바로 식각(Etching)입니다.

포토 공정으로 원하는 패턴을 표시했다면 이제 그 패턴을 실제 구조로 만들어야 합니다.

식각은 쉽게 말해서 필요 없는 부분을 제거하는 과정입니다.

예를 들어 웨이퍼 위에 여러 층의 막이 있다고 생각해봅시다.

포토 공정에서 제거할 부분을 지정하고, 식각 공정에서 그 부분을 실제로 깎아내면 원하는 구조가 만들어집니다.

식각은 크게 건식 식각과 습식 식각으로 나눠볼 수 있습니다.

건식 식각은 플라즈마 등을 이용해 원하는 물질을 선택적으로 제거하는 방식이고, 습식 식각은 화학 용액을 이용합니다.

왜 이렇게 복잡하게 나눌까요?

반도체 회로가 작아질수록 단순히 많이 깎는 것이 아니라 원하는 물질만, 원하는 깊이만큼, 원하는 모양으로 제거하는 정밀함이 필요하기 때문입니다.

6. 증착은 반대로 필요한 물질을 쌓는 과정입니다

식각이 ‘제거’라면 증착은 반대입니다.

필요한 물질을 웨이퍼 위에 얇게 쌓는 공정입니다.

대표적으로 CVD, PVD, ALD 등이 있습니다.

CVD는 화학 반응을 이용해 박막을 형성하고, PVD는 물리적인 방법을 이용해 박막을 형성합니다.

그리고 ALD는 원자층 단위로 매우 얇고 균일한 막을 형성하는 데 강점이 있습니다.

초보자라면 세 가지 방식을 지금 당장 모두 외울 필요는 없습니다.

일단 이것만 기억해도 충분합니다.

식각 = 깎는다.
증착 = 쌓는다.
포토 = 패턴을 만든다.

이 세 가지를 연결해서 이해하면 반도체 전공정이 갑자기 쉬워집니다.

7. 이온주입은 실리콘의 전기적 특성을 바꾸는 과정입니다

반도체가 일반적인 실리콘과 다른 이유 중 하나는 실리콘의 전기적 특성을 정밀하게 조절하기 때문입니다.

대표적인 방법이 이온주입(Ion Implantation)입니다.

특정 원소의 이온을 실리콘 내부에 주입해 원하는 전기적 특성을 갖도록 만듭니다.

이 과정을 통해 트랜지스터를 구성하는 영역의 전기적 특성을 조절할 수 있습니다.

결국 반도체 제조는 단순히 ‘모양을 만드는 작업’만이 아닙니다.

물질의 성질 자체를 원하는 방향으로 조절하는 작업이기도 합니다.

8. 금속배선은 만들어진 회로를 서로 연결합니다

트랜지스터가 만들어졌다고 해서 반도체가 끝난 것은 아닙니다.

수많은 트랜지스터가 서로 신호를 주고받을 수 있도록 연결해야 합니다.

이 역할을 하는 것이 금속배선 공정입니다.

쉽게 비유하면 아파트 안에 전기선을 연결하는 것과 비슷합니다.

아무리 좋은 트랜지스터를 만들어도 서로 연결되지 않으면 하나의 회로로 작동할 수 없습니다.

그래서 반도체가 복잡해질수록 배선 구조 역시 매우 중요해집니다.

9. CMP는 왜 필요할까요?

여러 층의 막을 쌓고 깎다 보면 웨이퍼 표면이 평평하지 않게 됩니다.

다음 공정을 진행하려면 다시 표면을 고르게 만들어야 합니다.

이때 사용하는 것이 CMP(Chemical Mechanical Planarization)입니다.

화학적 반응과 기계적인 연마를 이용해 웨이퍼 표면을 평탄하게 만드는 공정입니다.

반도체에서는 ‘평평하다’는 것이 단순히 보기 좋은 문제가 아닙니다.

다음 공정을 정확하게 진행하기 위한 중요한 조건입니다.

10. 그래서 세정 공정이 계속 반복됩니다

반도체 제조공정을 공부하다 보면 세정이라는 단어가 계속 등장합니다.

왜 한 번 깨끗하게 닦고 끝내지 않을까요?

반도체 제조 과정에서는 미세한 먼지나 잔류물, 화학물질 등이 다음 공정에 영향을 줄 수 있기 때문입니다.

특히 회로가 미세해질수록 작은 오염물 하나도 문제가 될 수 있습니다.

그래서 공정 사이사이에 세정이 반복됩니다.

이것은 반도체 공장이 왜 그렇게 깨끗한 환경을 유지해야 하는지를 이해하는 데도 중요한 부분입니다.

11. 검사와 계측은 제조공정 전체를 지켜보는 역할을 합니다

반도체 제조에서 의외로 중요한 것이 계측(Metrology)과 검사(Inspection)입니다.

공정을 끝까지 진행한 다음 마지막에만 확인해서는 늦습니다.

예를 들어 증착한 막의 두께가 제대로 나왔는지, 패턴의 크기가 목표와 맞는지, 표면에 결함은 없는지 등을 공정 중간중간 확인해야 합니다.

그래야 문제가 발생했을 때 어느 공정에서 문제가 생겼는지 찾아낼 수 있습니다.

결국 반도체 제조는

만들고 → 측정하고 → 확인하고 → 다시 공정을 조정하는 과정

이라고 볼 수도 있습니다.

이 때문에 반도체 산업에서 수율(Yield)이 중요한 지표로 등장합니다.

똑같은 웨이퍼를 만들더라도 정상적으로 작동하는 칩이 얼마나 많이 나오느냐에 따라 생산성이 크게 달라지기 때문입니다.

12. 웨이퍼 테스트를 거쳐 후공정으로 넘어갑니다

전공정이 끝나면 웨이퍼 위에는 수많은 개별 반도체 칩이 만들어져 있습니다.

하지만 아직 우리가 사용하는 제품 형태는 아닙니다.

먼저 웨이퍼 테스트를 통해 각각의 다이가 정상적으로 전기적 특성을 갖는지 확인합니다.

그다음 웨이퍼를 개별 칩 단위로 잘라내는데, 이 개별 칩을 다이(Die)라고 합니다.

이제부터가 후공정입니다.

13. 다이를 패키지로 만드는 후공정

잘라낸 다이를 그대로 스마트폰이나 자동차에 넣을 수는 없습니다.

외부 환경으로부터 칩을 보호하고, 전기적으로 다른 부품과 연결할 수 있도록 만들어야 합니다.

그래서 패키징(Packaging)이 필요합니다.

대표적인 흐름은

웨이퍼 테스트 → 다이싱 → 조립 → 전기적 연결 → 몰딩 → 패키지 테스트

와 같이 이어집니다.

패키지는 단순한 플라스틱 케이스가 아닙니다.

칩을 외부 충격이나 환경으로부터 보호하는 동시에 전기적인 신호를 외부 시스템과 연결해주는 역할을 합니다.

14. 웨이퍼, 다이, 패키지는 무엇이 다를까요?

초보자들이 가장 많이 헷갈리는 부분입니다.

아주 간단하게 정리해보겠습니다.

웨이퍼(Wafer)
→ 여러 개의 반도체 칩을 만드는 원형 실리콘판

다이(Die)
→ 웨이퍼에서 잘라낸 개별 반도체 칩

패키지(Package)
→ 다이를 보호하고 외부와 전기적으로 연결할 수 있도록 만든 형태

완제품(System/Product)
→ 패키지된 반도체가 실제 전자제품에 탑재된 상태

즉,

웨이퍼 → 다이 → 패키지 → 완제품

순서로 생각하면 됩니다.

15. 결국 반도체 제조의 핵심은 ‘반복’입니다

전체 공정을 한 번에 보면 상당히 복잡해 보입니다.

하지만 핵심 원리는 의외로 단순합니다.

막을 만들고 → 패턴을 만들고 → 필요한 부분을 제거하고 → 다시 막을 만들고 → 전기적 특성을 조절하고 → 평탄하게 만들고 → 깨끗하게 세정하고 → 측정한다.

그리고 이 과정을 수없이 반복합니다.

그래서 반도체 제조공정은 흔히 수백 개의 세부 공정이 연결된 초정밀 제조 과정이라고 설명합니다.

인포그래픽에서 본 61번부터 86번까지의 주제도 사실 이 큰 흐름 안에 들어갑니다.

61~66번에서는 웨이퍼가 어떻게 준비되는지를 보고,
67~80번에서는 실제 회로를 만드는 전공정의 핵심을 살펴봅니다.

그리고 81~83번에서는 검사와 계측, 웨이퍼 테스트를 다루고,
84~86번에서는 패키징부터 우리가 사용하는 완제품까지 이어지는 후공정을 알아보게 됩니다.

반도체 제조공정을 공부할 때 이렇게 기억해보세요

처음부터 CVD, PVD, ALD, CMP 같은 용어를 전부 외우려고 하면 금방 복잡해집니다.

대신 아래 다섯 가지 질문을 가지고 각각의 공정을 바라보면 이해하기가 훨씬 쉽습니다.

① 무엇을 만들려고 하는가?
② 어떤 물질을 추가하는가?
③ 어떤 부분을 제거하는가?
④ 원하는 모양과 특성이 만들어졌는가?
⑤ 다음 공정으로 넘어갈 수 있는 상태인가?

이 질문을 계속 던지다 보면 각각의 공정이 따로 떨어진 기술이 아니라는 것이 보이기 시작합니다.

포토리소그래피가 왜 필요한지, 식각이 왜 필요한지, 증착이 왜 반복되는지, 세정과 계측이 왜 중요한지도 자연스럽게 연결됩니다.

그리고 마지막에 웨이퍼에서 다이가 나오고, 다이가 패키지가 되고, 패키지가 스마트폰이나 자동차, 서버 같은 제품에 들어가는 순간 비로소 하나의 긴 흐름이 완성됩니다.

반도체 제조공정은 ‘작은 칩 하나를 만드는 과정’이 아니라, 수많은 정밀 공정을 반복하면서 웨이퍼 위에 점점 복잡한 회로를 완성해가는 과정입니다.

이제부터는 이 전체 흐름을 기준으로 하나씩 들어가 보겠습니다.

다음 글에서는 그 첫 번째 단계인 “실리콘 잉곳은 어떻게 만들어질까?”부터 시작해, 우리가 매일 사용하는 반도체의 출발점이 어떻게 만들어지는지 살펴보겠습니다.