반도체, 스마트폰 속 작은 우주를 이해해 본 적 있나요?
스마트폰, TV, 냉장고, 심지어 전기차까지... 요즘 우리가 쓰는 모든 전자기기에는 "반도체"가 들어가 있어요. 그런데 여러분, 혹시 이 반도체가 어떤 과정을 거쳐 만들어지는지 궁금해 보신 적 있나요?
전 이 글을 쓰기 전까지만 해도, 단순히 기계가 찍어내듯 만들겠거니 생각했어요. 하지만 직접 자료를 파고들고, 삼성전자나 원익 IPS, 세메스 같은 실제 전공정 기업들의 사례를 조사하면서 생각이 완전히 달라졌죠. 반도체 하나가 완성되기까지는 무려 3~4개월, 수백 개의 정밀 공정, 그리고 0.001mm 이하의 미세한 정밀도가 필요하더라고요.
그래서 오늘은 반도체가 어떤 과정을 통해 만들어지는지, 누구나 이해할 수 있도록 친절하게, 실제 예시와 함께 설명드리려고 합니다.
반도체 제조 공정, 한 걸음씩 따라가 보기
1단계: 회로 설계와 시뮬레이션 (Design)
모든 반도체는 '설계'에서 시작합니다. 마치 건축 설계도처럼, 회로도와 트랜지스터 배치를 논리적으로 짜야 하죠.
- 어떤 기능을 할 것인가? (예: 메모리인지, CPU인지)
- 어떤 공정으로 만들 것인가? (예: 5nm, 14nm)
설계 도구(EDA 툴)를 이용해 회로를 구성하고, 그걸 바탕으로 물리적 배선도(레이아웃)까지 그립니다. 요즘엔 인공지능이 설계를 돕기도 해요!
2단계: 마스크(Mask) 제작
설계한 회로를 그대로 웨이퍼 위에 그릴 순 없어요. 그래서 이를 전사할 수 있는 포토마스크(Photomask)를 제작하죠. 일종의 스텐실 같은 거예요.
삼성 파운드리의 3nm 공정처럼 미세한 회로를 만들기 위해선 마스크 퀄리티가 엄청 중요합니다. 참고로 한 장의 마스크 가격은 수억 원에 달한다고 해요.
3단계: 웨이퍼 준비 (Wafer Fabrication)
웨이퍼는 반도체를 찍어내는 원판입니다. 보통 고순도 실리콘(Si)을 녹여 만든 잉곳을 얇게 썰고, 그걸 미세하게 연마해서 만들어요. 정밀도가 높을수록 좋은 반도체를 만들 수 있어요.
이 웨이퍼 한 장에는 수백~수천 개의 칩(다이)이 동시에 생산됩니다.
4단계: 전공정 (Front-End Process)
본격적인 회로 형성 단계입니다. 아주 중요한 핵심 공정들이 들어있어요.
- 4-1. 산화 (Oxidation)
- 웨이퍼 위에 실리콘 산화막을 입혀 절연층을 형성합니다. 게이트 절연막이 대표적이죠.
- 4-2. 박막 증착 (Deposition)
- CVD, ALD 등 다양한 방법으로 절연막/금속막을 얇게 입히는 공정입니다.
- 원익 IPS는 이 증착 장비로 유명하죠. 삼성전자에도 공급하고 있고요.
- 4-3. 포토리소그래피 (Photo Lithography)
- 마스크를 통해 빛을 쬐어 회로 패턴을 웨이퍼에 전사합니다. EUV(극자외선) 기술이 여기에 쓰이죠.
- 4-4. 식각 (Etching)
- 불필요한 부분을 화학반응이나 플라스마로 깎아내는 과정. 세메스나 원익 IPS에서 건식식각 장비를 개발 중이죠.
- 4-5. 도핑 (Doping)
- 웨이퍼에 전기적 특성을 부여하기 위해 불순물을 주입합니다. n형/p형 반도체를 구분하는 핵심 단계죠.
- 4-6. 배선 및 층간 연결 (Metallization)
- 다 만들어진 트랜지스터들을 서로 연결해야겠죠? 알루미늄이나 구리로 배선을 만들어 전류가 흐르게 합니다.
이렇게 여러 공정을 거치면, 웨이퍼 위에 완전한 집적회로가 형성됩니다.
5단계: 웨이퍼 테스트 (Wafer Test)
이제 하나하나 다이가 제대로 작동하는지 테스트합니다. 안 되는 다이는 이후에 버리기 때문에, 수율 확보에 매우 중요해요.
6단계: 절단 (Dicing)
웨이퍼를 조각조각 자릅니다. 하나하나가 우리가 아는 칩(Die)이 되는 거죠.
7단계: 패키징 (Packaging)
- 다이 보호
- 외부와 전기적 연결
- 열 방출 등등
을 위해 다이를 "패키지"에 담습니다. 팬아웃, 플립칩, BGA 등 다양한 방식이 있죠.
8단계: 최종 테스트 (Final Test)
패키징 후에도 제품이 불량인지 다시 한번 체크. 전기 테스트, 온도 스트레스 테스트 등등을 거쳐 출하됩니다.
Q&A
Q. 반도체는 왜 그렇게 비싸요?
- A. 마스크 제작, EUV 장비, 수율 관리, 수개월의 공정 시간 등 모든 게 고비용이기 때문이에요.
Q. 한국 기업은 어떤 걸 잘하나요?
- A. 삼성은 메모리/파운드리 공정기술, 세메스는 세정/식각 장비, 원익 IPS는 증착 장비, 동진쎄미켐은 감광액 소재 등 강점이 다양해요.
Q. 웨이퍼 하나에서 몇 개나 만들 수 있어요?
- A. 12인치 웨이퍼 기준으로 300~1000개 이상 다이를 만들 수 있어요. 크기/공정 노드에 따라 달라져요.
오해 바로잡기
- "반도체는 찍어내는 거 아냐?" → 절대 아닙니다! 한 공정 한 공정이 정밀 공학의 결정체예요.
- "메모리만 반도체야?" → CPU, 이미지센서, 통신칩, 전력반도체 등 엄청나게 다양합니다.
- "설계만 잘하면 장땡" → 제조 공정에서 수율과 품질이 잡혀야 합니다.
사례: 삼성 평택 3라인의 EUV 공정
삼성전자의 최신 반도체 팹인 평택 3라인(P3)에서는 EUV 기술을 이용한 3 나노 GAA 공정을 양산 중입니다. 이곳에서 활용되는 핵심 장비 중 세메스 장비가 대거 공급되고 있고, 식각/세정 공정에서 한국 장비 비중이 늘어나고 있어요. 실제로 GAA 구조는 공정 난도가 매우 높기 때문에 전공정 장비의 성능과 신뢰성이 매우 중요합니다.
반도체는 기술과 인내의 결정체
지금 우리가 쓰는 스마트폰 속 칩 하나를 만들기 위해 수십 개 기업이, 수천 개 공정을 거치고 있다는 사실, 알고 계셨나요?
삼성전자, SK하이닉스 같은 대기업뿐 아니라 원익 IPS, 세메스, 동진쎄미켐 등 국내 중견기업들도 이 거대한 생태계의 핵심입니다.
앞으로 AI, 자율주행, 고성능 컴퓨팅이 대중화될수록 반도체 기술은 더 복잡해지고 중요해질 거예요. 이 글을 통해 여러분도 반도체에 조금 더 가까워졌길 바랍니다.