생산제조 과정

혁신적인 기술이 탄생하는 곳.

전 세계 최첨단 생산제조 시설에서는 첨단 기법, 장비, 분석을 원자 수준의 정밀성으로 제어하는 세계 최첨단 기술이 나오고 있습니다.

 

미래의 기술이 팹에서 시작됩니다

기술적인 관점에서 볼 때, 반도체 팹(“패브리케이션 플랜트”를 줄인 명칭)은 마이크로칩을 생산하는 생산제조 시설입니다. 하지만 사실상 플라스마, 레이저, 초정밀 광학 기기, 이온 가속기, 첨단 로봇 등 수천 대의 공정 기계들이 모두 가장 완벽하게 조율된 상태로 동시에 움직이면서 마치 교향곡을 연주하듯 각각 수십만 개의 칩이 담긴 수십만 장의 웨이퍼를 생산해 내는 모습은 가히 탄성이 절로 나는 장관이라 할 수 있습니다.

팹에서 가장 중심이 되는 것이 클린룸이며, 바이러스 크기의 미세한 입자 하나라도 들어가면 마이크로 회로를 망칠 수 있는 만큼 여기서는 “클린”이 핵심입니다.

 

150~200억 달러1

2020년 기준 첨단 팹의 비용

 

실리콘 웨이퍼: 없어서는 안 되는 모든 반도체의 기초

실리콘 웨이퍼는 초박 원반 형태로 연마된 순수 실리콘으로, 그 위에 마이크로칩들을 배열하게 됩니다. 각 웨이퍼는 상상할 수 있는 가장 얇은 필름 스택을 이용해 만들며, 트랜지스터와 마이크로 회로를 형성하는 패턴으로 구성한 후 개별 컴퓨터 칩으로 자릅니다.

전기는 다른 물질들보다 실리콘을 통과할 때 훨씬 더 제어하기가 쉽기 때문에 이 웨이퍼들은 칩의 속도에 대한 기능적인 면에서 핵심적인 역할을 합니다. 물론 실리콘이 지구상에서 두 번째(산소 다음으로)로 흔한 원소이지만 특별히 중요한 물질이기도 합니다.

 

생산제조가 실제로 이렇게 영감을 불러일으키는 일일 줄 누가 알았을까요?

직접 보호복을 입고 “에어 샤워”를 통과해 외부 입자를 모두 제거한 다음 팹에 걸어 들어가 보기 전까지는 마이크로칩을 만든다는 것이 얼마나 복잡한 공정인지 상상하기 힘듭니다. 전 세계에서 가장 정밀한 (그리고 고가의) 장비를 사용해 수백 개, 수백만 개 또는 수십억 개의 트랜지스터를 손톱만한 크기의 실리콘 웨이퍼 위에 올려놓아야 합니다.

공정의 매 단계가 현미경 작업으로 이루어지며, 많게는 90개 층으로 이루어진 복잡한 회로가 포함될 수 있는 3차원 구조물을 구축하는 공정입니다.

 

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클린룸의 멸균 상태 수준이 병원 수술실과 비교해 몇 배나 더 높아야 하는지 보여 주는 수치

완벽한 칩 만들기: 정밀성을 기초로 하는 공정

증착(DEPOSITION)

반도체 마이크로 회로 생산의 첫 번째 단계는 도체와 절연체를 빈 상태의 실리콘 웨이퍼 위에 “증착”하는 것입니다. 극히 얇은(초박) 여러 개의 층으로 쌓게 되며, 각 층의 높이는 적혈구 지름의 약 1/500에 해당됩니다.

패턴 & 식각(PATTERN & ETCHING)

포토리소그래피(photolithography)라고 부르는 나노 수준의 공정 작업을 통해 트랜지스터들을 웨이퍼 표면에 고도로 정교한 패턴으로 배열합니다. 연결이 이루어지게 될 부분은 식각 작업으로 제거하는데, 웨이퍼 표면에서 선별적으로 물질을 제거하는 작업입니다.

소재(MATERIALS)

칩이 어떤 작업을 수행하게 될 것이냐에 따라 실리콘 웨이퍼 상에는 텅스텐, 알루미늄, 구리 같은 도체를 증착하거나 다양한 형태의 이산화 규소, 질화규소 등의 절연체를 증착하게 됩니다.

관리 & 테스트(CONTROL & TEST)

클린룸이 청정 공간이기는 하지만 5억 개에 달하는 구성품에 전혀 결함이 없도록 보장하려면 프로세스 하나하나를 모두 측정하고 검사해야 합니다. 마이크로 회로 한 줄에 먼지 입자가 하나라도 있으면 칩은 꼭 필요한 존재에서 쓸모없는 존재로 바뀔 수 있습니다.

패키징(PACKAGING)

마이크로칩과 회로기판에 연결되는 부분 주위에 보호 구조물을 만들어 주는 단계로 이를 “패키징”이라고 부릅니다. 이 공정은 최근, 더 작고 더 강력한 칩을 만들고자 하는 노력에 힘입어 엄청난 발전을 이뤘습니다.                                                    

“내가 상상하던 천국 같은 곳이에요… 로봇이 더 많다는 점만 다르고요.”

Jack

1 EE Times, 2012년
2 OR Today, 2012년