반도체는 어떻게 만들어질까?(반도체 생산과정, 반도체 공정과정)

우리나라는 반도체가 아니었다면 이렇게 크게 성장할 수 없었다고 확언할 수 있습니다.

삼성 반도체가 전세계에서 미치는 영향은 실로 엄청나며, 반도체로부터 파생된 우리나라의 다양한 산업은 한강의 기적을 만들었다고 해도 과언이 아니죠.

 

최근 삼성전자 주가와 하이닉스 주가의 퍼포먼스가 좋지 않습니다만, 반도체가 만들어지는 과정을 대략적이나마 이해하고, 관련 회사들을 숙지해놓은 뒤에 관련 뉴스가 나왔을 때 재빠르게 수혜 기업을 찍을 수 있어야 돈을 벌 수 있지 않을까요?

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오늘은 공부를 하는 차원에서 반도체는 어떻게 만들어지는지 알아보겠습니다.

반도체는 8단계를 거쳐 생성됩니다. 우리는 이를 8대공정이라 이야기하죠.

 

8대공정을 말씀드리면

①웨이퍼제조

②산화공정

③포토공정

④식각공정

⑤증착&이온주입공정

⑥금속배선공정

⑦EDS공정

⑧패키징공정

입니다.

 

①~⑥단계를 전공정단계, ⑦~⑧단계를 후공정단계라고 합니다. 전공정 관련 기업, 후공정 관련 기업 들어보셨죠?

 

자 이제부터 반도체를 만들어볼까요?(보통 이런 것 설명할 때 반말로 해야 알아듣기 쉽다고 해서, 재밌게 반말로 설명해드리겠습니다.)

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①웨이퍼제조

반도체 만들려면 어디다가 만들어야할거 아니야? 쇠에다가? 나무에다가? 응 아니지. 실리콘에다가 만들어. 어떻게?

이렇게. 녹여. 저 돌멩이가 실리콘 원석이야. 저거 녹인 걸 '잉곳'이라고 해. 응. '실리콘 잉곳' 이걸 잘라. 슬라이스 해버려.

요렇게 자르면 피자가 나오지? 저게 바로 웨이퍼야.

그런데 웨이퍼가 맨질맨질하잖아? 자른 다음에 닦아서 맨질맨질 하게 만드는 걸 "연마와 세정 단계"라고 하지.

이렇게 웨이퍼가 완성되었어. 

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②산화공정

자, 웨이퍼에다가 뭔가 할거잖아? 회로를 새겨야돼. 그래야 전기가 딱 원하는 곳에 가야되잖아. 이런 그림 말이야.

그 웨이퍼 위에다가 막 산소랑 열을 막 가해. 그럼 깨끗한 쇠도 녹슬면 그 위에 약간 더러운 막(층)이 생기잖아? 산화막말이야.

그리고, 이 산화막은 약간 방어벽 같은거야. 벌써 2공정이 끝났지?

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③포토공정

여기 위에다가 감광액을 뿌려. 감광액은 빛에 민감한 애들이야. 빛을 쐬면 사라지는 애들이지. 이 감광액이 뉴스에서 듣던 포토레지스트(PR, PhotoResist)야. 그 일본애 자기들만 만드는 줄 알고 나대고 까불어서 국산화 한거 말이야.

여기다가 왠지 빛을 쏴야할 것 같은 느낌이 들지? 그런데 그냥 쏘면 안돼잖아. 뭔가 빛으로 길을 내고 싶잖아?(회로)

요런 원리를 써서 원하는 길로만 빛을 쏘게 하는거지. 저렇게 사과모양 판을 "마스크(MASK)"라고 하지.

그걸 약간 컴퓨터천재처럼 이렇게 만드는거야.

이렇게 설계도면을 마스크로 만드는거지. 그리고 이걸 빛으로 쏴대면서 도면을 새기면은 이걸 포토공정이라고 하지.

옆에서 보면 이렇게 되겠지?

자 이렇게 포토공정이 끝난 상태가 되었어.

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④식각공정

잘 따라오고 있지? 

자 이렇게 산화막을 제거하는 환원과정을 거치는 걸 식각(Etching, 에칭)이라고 해. 물로 하면 Wet Etching, 공기로 하면 Dry Etching 이렇게 말이야. 응, 그 일본애들 에칭가스 수출 안한다고 나대서 국산화한 에칭가스 그거 맞아. 이렇게 산화막을 제거했으면 감광액 역할 끝났으니 감광액 닦어.

식각공정 끝! 쉽지?

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잠깐 잠깐!

먼저 다음 단계 넘어가기 전에 잠깐 이거 듣고가자.(이걸 알아야 다음 단계 가능)

이거 최초 컴퓨터 애니악이야. 겁나 크지? 왜 그런지 알아? 반도체를 밀집하는 능력이 없어서 그래. 그러니깐 우리 초등학교, 중학교, 고등학교 때 이런거 막 연결했잖아?

이걸 그냥 냅다 필요한 회로로 막 가져다 꽂으니깐 그냥 컴퓨터 한 대가 건물만해진거지.(애니악 사진을 봐)

이게 트랜지스터, 콘덴서, 다이오드 이런애들인데, 하는 역할들이 전기신호를 증폭하거나, 신호를 잠깐 저장하거나, 전기신호를 차단/흐르게 하거나(밸브역할)을 하는 애들이거든. 이렇게 저장하거나 흐르게하거나 뭐 증폭하거나 이런걸 써서 전자기계를 만드는거야.

참고로 애니악 저렇게 겁나 큰데도 할 수 있는게 그냥 계산기야.(윈도우 그 계산기 그것보다 못해)

애니악 저거 30톤이고, 25미터에다가 1946년에 당시 시세로 5억정도 들었고, 대충 부품이 2만개라고 해. 저거 2만개 다 노가다로 연결한거지.

 

다시 돌아가보자.

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⑤증착&이온주입공정

그러니깐 우리는 1층이 아니라, 쌓아가지고 아주 꾹꾹눌러서 수백개의 회로를 1층 크기로 되어 있으면 그 효과가 배가 되겠지? 그림을 잠깐 볼게.

이렇게. 회로가 쌓아져 있으면 훨씬 집약되었겠지? 이렇게 쌓아 올린 걸 집적회로라고 해. 영어로 IC(Intergrated Circuit chip)라고하지.

 

자, 이렇게 절연막층을 만들어야, 금속이 통하는 부분은 위아래로 통하면서 양옆으로 통하기도 하고, 전기가 다니지 말아야 할 길은 다닐 수 없게 해야하잖아?

요렇게 또 막 뿌려대서 폴리실리콘 막을 만들어. 이 폴리실리콘 막은 엄청 얇아, 그래서 박막(Thin film)이라고 얘기해.

이 박막을 쌓는 공정을 증착이라고 하고.

이렇게 박막을 쌓고, 또 감광액(포토레지스트)를 뿌리고, 또 마스크를 활용해서 빛을 쏴대고, 빛을 없앤 뒤 식각을 하고.

PR을 닦은 다음에,

 

웨이퍼가 원래 실리콘 녹인거라 했잖아? 전기 통할까? 안 통하겠지?

그러니깐 전기가 통하게, 가스로 불순물(인, 붕소 등)을 넣어줘서 전기가 통하게 만들어주는 거지. 그림처럼

그럼 저렇게 노란애들이 특정 조건일 때 전기가 통할 수 있는! 즉 신호를 제어하는 회로가 되는거지. 

이렇게 5번째 공정인 증착과 이온주입과정이 끝났어.

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⑥금속배선공정

방금 했던 과정 있잖아? 산화, 포토공정, 식각, 세정, 증착!! 그걸 무한 반복해. 다시 산화부터 시작하는거야. 그림으로 보자. 그런데 이번엔 박막을 금속으로 해서 회로를 그리는거지.

박막 과정이 실리콘이 아니라, 메탈로 되어있지? 이렇게 증착 과정은 전기가 계속 통하는 길을 만들거나, 아까처럼 이온가스를 주입해서 특정한 온도나 특정한 상태에만 전기가 통하게 만드는 길을 깔 수도 있는거야. 이거 그냥 공학적으로 이해하려고 하지마, 그냥 이렇게 계속 새기면서 쌓아 올리는구나! 하고 이해하면 돼.

이렇게 하는 걸 금속배선공정이라하는 거구.

 

놀랍겠지만, 지금 여기까지 그 조그만한거 1개 만드는데 1~2개월 정도 소요돼. 몇층이냐고? 176층 정도 되네.

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⑦EDS공정(Electrical Die Sorting)

방금 만든 그 176단 반도체 있잖아.

전기적 특성 검사를 해서 이거 괜찮은 애인지 확인하는 작업이야.

지금 노란색 동그라미 안에 176단짜리 3개 보이지? 이거 검사 다해야돼. 저렇게 동그란 웨이퍼 위에 여러개 반도체 만든거 말이야. 웨이퍼 클수록 반도체 한번에 많이 만들 수 있는거 대충 알겠지?

저거 12인치짜리로 만드는 애들이 삼성전자, 하이닉스 애들이고, 8인치짜리로 하는 애들이 DB하이텍이지.

어쨌든 저거 검사하는 과정이 EDS공정이야.

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⑧패키징공정

슬프지? 마지막 8단계야

이제 아까 저 검사했던 큰 웨이퍼를 개별 반도체 단위로 잘라. 레이저 이런거 이용해서 말이야.

그런 다음에 저 작은 애들을 어디다가 끼울 수 있게 포장을 해. 그걸 패키징이라 하지.

요렇게 말이야. 다른 그림도 볼까?

요렇게 잘 안보이게 해가지고, 세련되게 그리고 보호도 되게, 그리고 어디다가 끼울 수 있게(외부랑 연결되게) 패키징 하는거지.

 

이 패키징도 방법이 FOWLP니, FOPLP니, TSV니, 플립칩이니 하는 여러가지 패키징 방식과 공법이 있는데, 그런게 있다 정도만 하자. 너무 포장 쉽게 생각할거 같아서 언급해 봤어.

명색이 컴푸타인데 요렇게 대강 포장하는 느낌은 아니잖아?

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지금까지 반도체 8대공정을 알아보았습니다.

관련 회사에 대한 정리는 연계하여 다음 시간에 정리해드리도록 하겠습니다.(제 블로그 테마주 섹터에서요.)

아무쪼록 저도 반도체에 관한 지식이 깊은 편은 아니니 어려운 질문은 사양하도록 하겠습니다 ^^

좋은 하루 되시고, 반도체 기업에 대해 다함께 공부해봅시다.

그러기 위해서는 구독과 좋아요!는 필수죠.

 

참고 자료 : 삼성반도체이야기, 기업핥기 유투버님 자료, 디벨럽님 유투버님 자료 참조