[반도체로 풀어보는 공학 이야기] 반도체 너 정체가 뭐니?

smartcucum (48)in #kr • 7 years ago (edited)

안녕하세요~~ @smartcucum입니다.

오늘은 기계공학관점에서 반도체 기업들이 왜 잘나가는지 그 이유를 반도체 공정을 공부함으로써 파헤치려고해요. 반도체 공학 혹은 MEMS 공학은 기계공학과에서 3학년부터 강의가 개설이 돼요. 오늘은 반도체에서 설명하고 다음 시간에는 센서와 MEMS에 대해서 알아보려는 시간을 가지려 합니다.

1위를 뺏겨버린 인텔이지만....

최근 과학 기술이 급속도로 진보하면서 기계공학과에서도 순수 기계 공학만아니라 다양한 곳에 적용가능한 연구들을 찾기 시작했어요. 1990년대 이후부터 대학들 중심으로 이러한 연구들이 점차 진행되었고 현재는 많은 대학들이 순수 기계와 더불어 융합(에너지, 바이오, MEMS 등) 쪽으로 연구를 진행되고 있습니다. 그래서 이번에는 전혀~ 기계공학과 관련 없어 보이는 반도체 이야기를 해보겠습니다. 하지만 이 글을 읽게 되시면 "기계공학이 반도체와도 관련이 있었네?" 라고 생각하실꺼에요 :)

그러면 추울바알~~

시작하며

브래드 보드와 PCB 기판

위의 사진은 브래드보드와 PCB 기판이에요. 저런거 하나 만드는데 복잡한 회로들을 일일이 납땜하고 전선도 연결하다보면 시간이 많이 소모되고 부피도 엄청 차지해요. 그리고!!! 제일 화나는 것은 실수... 한번 실수하면 다시 꼽아야하고 운이 안좋으면 소자들이 타버리는 현상까지!!! 정말 보기만해도 지긋지긋한 과정이에요. 혹시 브래드보드와 PCB 기판을 모르신다구요? 그래도 아무런 상관없어요. 어릴적 과학시간에 건전지 꼽고~ 전구키고~ 움직이게 하고~ 직렬병렬도 되게끔하고~ 다 해보셨잖아요? 가끔은 전구도 터트려먹고... 그런데 이런 고민해보신적 없으세요?

아니...이걸배우긴 배웠는데 도대체 어디다가 쓴다는 거야 일상생활에서는 이런 회로 하나도 안보이는데... 전보대 수리하는 것만 봤는데 말이야...

없으시다구요??? 앗...그렇다면 지금부터라도...아니 제가 도와드리겠습니다. ㅎㅎㅎㅎㅎ
어릴적 전기 회로 왜 배웠을까요? 도대체 그것들이 일상생활에서 어디에서 쓰일까요? 분명히 우리집에 전기 들어오는 것 스마트폰이 전기로 구동되는 것 이 모든 것들을 아는데 회로들을 도무지 본적 없단말이죠. 오늘은 반도체 공정을 간략히 공부해보고 이러한 회로들이 어디에 숨어 있으며 그 과정에서 국내 기업들이 어떻게 돈을 많이 벌 수 있었는지 알아보도록 합시다!!! 분명 재미있을꺼에요.

어려운건 다 뺏거든요!!

모래에서 돈 캐기

지구에는 모래가 정말 많습니다. 이러한 모래를 이루는 대표적인 물질 SI(규소, 실리콘)이며, 이를 이용해서 만들 수 있는 대표적인 물질은 유리에요. 규소는 화학적으로 안정적인 구조를 지니고 있답니다. 재미있는건 규소는 박쥐 같은 성질도 지니고 있어요. 다시 말하면, 어떤 물질이랑 섞어(도핑해)주냐에 따라서 규소는 도체가 되기도하고 부도체가 되기도해요.

인간은 기본적으로 무언가를 제어하고 소유하기를 원한대요. 산을 타는 것, 높은 전망대를 올라가는 것, 자연현상 or 사회현상을 이론화하려는 것들 모두 인간의 욕망에서 나온 것이라고 들었어요. 공학에서도 별 다를 것 없습니다. 도체가 되기도하고 부도체가 되기도 하는 것. 이것을 제어할 수 있다면? 연구 대상이되는거죠! 수 많은 연구를 통해 이러한 성질을 이용하여 부도체와 도체 사이인 반도체를 제작할 수 있게되었습니다.

실리콘을 높은 온도에서 녹여서 성장시켜주면 웨이퍼 잉곳을 만들 수있어요. 우측은 실제 잉곳 사진입니다. 그 사진을 잘 보시면 옆에 웨이퍼가 하나 보여요. 잉곳에서 웨이퍼를 잘라서 표면가공(사람으로 치면 박피 ㅎㅎ)을 하면 드디어 반도체를 만들 수 있는 조건 하나가 완성이 되는 것이에요. 이렇게 잘린 웨이퍼는 피자에서 도우와 같은 역할을 합니다. 즉, 웨이퍼는 반도체 칩이 올라갈 기본적인 기판의 역할을 담당해요. 웨이퍼의 경우 기본적으로 SI 순도가 높아야 그 성능이 좋다고 평가받을 수 있는데 여기에는 고난이도 기술들이 필요합니다. 따라서 이 잉곳을 생산하는 작업이 실제로는 만만치가 않아요. 때문에 (대학 실험실에서 쓰는) 웨이퍼 한장당 100만원을 넘어가죠.
ㅠ^ㅠ

그렇다면 저 잉곳을 어떻게 자를까요? 단순히 평행? 아니면 수직? 비스듬히? 비스듬히라면 얼만큼 각도를 줘야하죠?이에 대한 척도가 바로 Miller Index 입니다. 반도체를 효율적으로 만들기 위해서는 SI의 원자들의 밀도가 높으면 높을 수록 좋아요. 왜냐하면 원자들간의 거리가 짧아져야 전자의 전달속도가 높아질 수 있기 때문이죠. Miller Index에 따르면 (111)면이 원자와 원자간의 간격이 가장 가깝기 때문에 잉곳을 다이아몬드 칼로 자를 때 이 면을 필히 고려해줘야합니다. ~~(111)말고 (100)면을 쓰는 경우도 있습니다. 요곤 MEMS 시간에 ㅎㅎ~~

Miller Index

정리갑니다앙~

실리콘은 박쥐같은 놈이다.
때론 도체 때론 부도체 => 따라서 반도체
웨이퍼는 피자로 치면 도우같은 역할이다.
반도체가 "쇽쇽쇽" 올라갈 터전을 만들어 준다.
자르는 방향에 따라 원자의 간격이 달라진다.
반도체용 웨이퍼는 밀러 인덱스에서 본 것처럼 (111)면으로 자른다.

네, 요즘엔 모래에서 돈이 나옵니다.
~~하긴 인터넷에 글 써도 돈나오는데요 뭐...~~

웨이퍼 굽기

자연현상에서 산화를 시키는 방법은 굉장히 많습니다.
첫번째 물에 노출시키는 거죠. 화장실에 있는 철 제품들....관리안하시면 어떻게 되나요? 다 녹슬어 버리죠? 습기가 높은 곳에 노출되어있으면 산화는 정말 쉽게 발생합니다.
두번째는 굽는 방법이 있어요. 산소가스를 넣고 재료를 구워주면 마찬가지로 쉽게 산화가 된답니다.

우리는 물에 노출 되었다하여 습식산화, 산소 가스에만 노출되어 있다고 해서 건식산화라고 부릅니다. 이러한 산화시키는 방법을 가지고 표면가공된 웨이퍼를 구워줍니다. 그러면 표면 위쪽에 모자처럼 이산화규소라는게 생겨요. 이것은 우리가 흔히 알고 있는 석영입니다.

귀엽게 모자가 올라가 있는 모습!
(주의!! 앞에서 본 모습입니다. 웨이퍼는 위에서 보면 동그래요!!)
산화가 발생되면 석영이 만들어진다고 위에서 설명하였습니다. 아니 그렇다면 가만히 있는 놈을 왜 굽는 걸까요?

첫번째, 앞으로 공정에서 발생될 보호막 역할을 합니다. 반도체는 엄청나게 많은 공정을 거쳐요. 저는 그 중에서 핵심만 알려드리는 것뿐이죠. 이러한 공정에서 굉장히 거칠고 위험한 공정도 있습니다. 이에 대해서 웨이퍼를 보호해야겠죠? 그래서 일종에 갑옷을 입히는 것과 같습니다.

두번째, 석영은 굉장히 안정적인 절연물질입니다. 이러한 석영(산화막)의 역할은 바로!! 절연 물질이기때문에 전선의 피복 역할을 하는 겁니다. 전선에서 피복이 무슨 역할을 하나요? 다른 도선과 접촉되는 것을 막는 중대한 임무를 맡고 있죠? 반도체에서도 산화막이란 피복은 전자가 흐르는 길이 섞이지 않게 잡아주는 역할을 합니다. :)

어릴 적 배운 회로 지식들이 다 어디가있는지 눈치 채셨나요?
반도체 공정이라는 것이 웨이퍼에 도선을 까는것을?

웨이퍼를 고열에 구우면 이산화규소로 변한다.
그 방법에는 물을 이용한 습식, 산소가스를 이용한 건식이 있다.
이산화규소는 석영이라고도 한다.
이러한 이산화규소는 도선에서 피복의 역할과 해로운 물질들에 대한 갑옷같은 역할 한다.
이제 웨이퍼에 도선까는 작업을 해보자!

도선까는 작업 포토 리소그래피(Photolithography)

혹시 코닥이라는 회사를 아시나요? 코닥은 1883년 세계 최초로 감광필름을 만들어내 회사입니다. 사진의 기본적인 원리는 필름에 감광제를 발라 빛에 감응시키면 빛의 양에 따라서 밝기의 차이를 이용한 것이에요. 즉, 사진기에서는 이러한 빛의 양을 조절해서 감광제가 발린 필름에 빛을 노출시키고 이것을 현상하면 사진으로 탄생하는 것입니다. 반도체 역시 이와 같은 원리를 사용하여 포토 리소그래피(Photolithography)라는 공정을 진행합니다.

Photo => 광자 litho => 돌 graphy => 쓰다.

<포토마스크>
저기 안에 회로들 모양 보이시나요??
포토리소그래피의 어원입니다. 즉, 빛을 이용해서 돌에 쓰겠다라는 뜻입니다. 이것이 무슨 말일까요? 아래 그림을 보시죠. 산화막이 올라간 웨이퍼 위에 감광제인 PR을 올려줍니다. 그리고 패턴이 완성되어있는 포토 마스크(위 그림)를 덮고 빛을 쪼여주는거에요. 그러면 빛을 맞은 PR(감광제)은 싸악 없어집니다. 즉, 마스크에 있는 패턴을 웨이퍼에 옮겨준 것이지요. 빛을 이용해서 돌에 쓰다! 이해가 되시나요? 여기까지가 아래 B),C),D)과정입니다.

자 이제 조금 위험한 이야기를 할꺼에요. 아래 과정이 보이시나요? 석영(이산화규소,모자)부분을 없애줘야하는데요. 이 과정에 굉장히 강력한 물질이 쓰입니다. 그 대표적인 예가 플루오린화 수소인데 HF(불산)라고도 부르죠. 굉장히 강력한 독성이에요. 조심히 다뤄줘야하고 옛날에 삼성에서 불산유출되어서 난리난적도 있었죠. 하여튼 웬만한 실험실에서도 취급을 안하고 있는 화학물이에요. 절대 유출되어서는 안되는... 어쨋든 우리는 이 과정을 에칭이라고 부릅니다.

영화 곡성에서는 찍히면 죽었지만, 여기서는 찍히면 돈으로 변합니다.

정리하면요

미리 패터닝된 포토마스크를 준비한 뒤 빛을 쪼아준다.
포토마스크 모양대로 웨이퍼에 새겨진다.
포토리소그래피의 어원을 생각하면 너무나도 당연하다.
이산화규소(모자)를 없애주는 작업을 에칭이라한다.

쉬어가며

자 위의 사진은 올라가있는 PR마저도 없애준 사진입니다.

앞서 말씀 드렸다시피 규소(실리콘)는 박쥐 같은 놈이라고 했어요.
이산화규소는 해로운 물질들을 막는 갑옷인 동시에 피복이라고 말씀드렸습니다.

웨이퍼가 들어난 부분에 불순물을 섞어줘서 웨이퍼를 도체로 만들어버리면 어떨까요?
불순물과 웨이퍼가 만나는 곳은 전기가 흐르고 산화규소(모자)가 있는 부분은 전기가 흐르지 않겠죠?

비유하자면 배가 가는 길인 운하를 만들어 주는 거죠.

즉, 지금까지의 공정은 이제 전기가 움직일 수 있는 운하가 만들어진 것과 같습니다.

만약 사람이 이산화규소와 웨이퍼 위에 올라가있다면 이런 느낌아닐까요??

우리가 어릴적 배웠던 회로 지식들은 사실 다 웨이퍼에 새겨져서 지금 컴퓨터와 스마트폰을 사용할 수 있게된거에요. 덕분에 브래드보드나 PCB같은 기판 없이도 제품들을 소형화시키는데 성공하였습니다.
앞으로의 이야기는 불순물을 섞는 과정을 설명을하고 집적회로를 설명한 뒤에 왜 그렇게 삼성과 하이닉스에 부를 가져다주었느냐를 설명하고자해요. 더불어 앞으로의 발전 방향을 이야기하고자 합니다.

<내용이 너무 길어 두편으로 나누어 보았습니다... 인터넷과 서적에서 <왜 반도체를 사용하냐? 왜 돈이 되냐?> 이 말을 찾기가 힘들더라구요. 그래서 제가 대학교에서 배운 내용을 정리하고 그 의문점을 가지고 스티밋분들을 위해 이야기를 풀어봤어요.

오늘도 글 읽어주신 분들께 감사의 말씀 전하면서 저는 바로 2편 준비하러 가겠습니다. 다음 주부터는 고등학교 내용과 대학교 1학년 과정들을 주로 많이 다루려고해요. 그림과 다양한 비유를 통해서 설명을 하겠습니다. 분명 전공에 관련된 제 이야기를 이해하시는데 엄청난 도움이 되실꺼에요. :) 다음엔 더 좋은 글로 찾아뵐께요! 주말 모두들 해피해피하세요~>

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