반도체는 어떻게 만들까? 반도체 8대 공정 한 눈에 보기

반도체 공정, 간단한 설명

반도체는 '21세기의 쌀'이라고 불릴 정도로 모든 산업의 기초이다. 그런데 이걸 만드는 과정은 미친듯한 정밀도와 기술력, 그리고 돈이 필요하다. 단순한 전자부품이 아니라, 거의 나노 단위 예술작품 수준이라고 봐야 한다.

반도체 제조는 웨이퍼(Wafer)라는 얇은 실리콘 판 위에 수십~수백 개의 트랜지스터와 배선을 얽히게 만드는 작업이다. 대략적인 공정은 다음과 같은 순서로 진행된다.

https://semiconductor.samsung.com/kr/support/tools-resources/fabrication-process/semiconductor-encyclopedia-the-eight-essential-semiconductor-fabrication-processes-at-a-glance/

[반도체 백과사전] 반도체 8대 공정 한 눈에 보기! | 삼성반도체

크게 반도체 8대 공정이라고 하며 이 사이트에서 간단한 순서를 확인할 수 있다.

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반도체 웨이퍼의 모습 (지금은 개별 칩으로 분리하기 전까지 모습으로 처음 단계에서는 그냥 아무 그림 없는 둥근 판이다.)

1. 실리콘 웨이퍼 제조 (Wafer Fabrication)

반도체의 시작은 단결정 실리콘을 길게 성장시키는 것부터 시작한다. 이걸 Czochralski 방법으로 '잉곳(Ingot)'이라는 실리콘 원기둥으로 만든 다음, 얇게 썰어서 웨이퍼를 만든다. 웨이퍼는 이후 모든 공정의 기본 재료가 된다. 반도체 웨이퍼가 둥근 모양인 이유도 실리콘 원기둥을 그냥 얇게 썰어서 쓰기 때문이다.

단결정: 결정이 쭉 ~하나로 연결된 구조, 전기가 흐를 때 방해를 덜 받는다.
잉곳: 길쭉하게 자란 실리콘 덩어리

2. 산화 공정 (Oxidation)

웨이퍼 표면에 산화막(SiO₂)을 형성하는 단계이다. 고온의 산소 또는 수증기 분위기에서 실리콘과 반응시켜 절연층을 형성한다. 산화막은 이후 포토 공정에서 보호막이나 마스킹 역할도 한다.

산화막: 실리콘 표면에 산소를 반응시켜 만든 절연층. 전기가 안 통하게 하는 얇은 막으로 회로끼리 서로 방해 안 받게 하려고 형성한다.

3. 포토리소그래피 (Photolithography)

이 공정은 반도체 회로의 패턴을 웨이퍼 위에 그리는 작업이다. 과정은 다음과 같다:

• 웨이퍼 위에 감광액(Photoresist)을 바름
• 회로 패턴이 새겨진 마스크(Mask)를 위에 놓음
• 자외선(UV)이나 EUV(극자외선)를 쏨
• 빛이 닿은 부분만 화학 반응을 일으켜 패턴이 형성됨

이 과정을 수십 번 반복하면서 트랜지스터와 배선 패턴을 깔아나간다. 여기서 쓰는 장비가 바로 EUV 노광 장비, 한 대에 2천억짜리 ASML 장비가 여기서 나온다.

감광액: 빛에 반응하는 액체. UV나 EUV 같은 빛을 쏘면 화학반응이 일어난다. 일종의 사진 필름 같은 느낌이며 회로 모양을 새기기 위해 꼭 필요하다.
UV(자외선): 일반적으로 우리가 잘 아는 자외선을 뜻한다.
EUV(극자외선): 엄청 짧은 파장의 자외선, 파장이 짧을수록 더 세밀한 회로를 찍을 수 있다.
마스크: 회로 패턴이 새겨진 판이다. 이걸 빛으로 웨이퍼에 복사한다.

4. 식각 (Etching)

포토 공정에서 형성된 패턴을 기준으로 필요 없는 부분을 제거하는 과정이다.

• 건식 식각(Dry Etching): 플라즈마 이용, 정밀도가 높음
• 습식 식각(Wet Etching): 화학 용액 사용, 넓은 영역 처리 가능

패턴 안 남기고 깎아야 하니까 진짜 정교해야 한다.

삭각: 불필요한 부분을 깎아내는 것을 뜻한다. 

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5. 이온 주입 (Ion Implantation)

웨이퍼의 전기적 특성을 조절하기 위해 도펀트(Dopant)를 주입하는 단계. 예를 들어, n형 반도체를 만들기 위해 인(P), p형 반도체는 붕소(B)를 고에너지로 웨이퍼에 쏴서 박는다. 이걸 통해 PN 접합이 형성되고, 트랜지스터처럼 동작하게 된다.

도핑/도펀트: 실리콘 안에 다른 원소를 일부러 박아 넣어서 성질을 바꾸는 것을 뜻한다.
트랜지스터: 전류의 스위치 역할을 하는 부품. 컴퓨터 계산도 이걸로 하며 반도체 칩에 수십억 개씩 들어간다.

6. 박막 증착 (Thin Film Deposition)

다양한 재료를 웨이퍼 위에 얇게 코팅하는 단계. 종류는 다음과 같음:

• CVD (Chemical Vapor Deposition): 가스를 분해해서 얇은 막 증착
• PVD (Physical Vapor Deposition): 금속 등을 기화시켜 증착
• ALD (Atomic Layer Deposition): 원자 한 층씩 깔 수 있는 정밀도

이 공정으로 절연막, 금속막 등을 쌓아가면서 회로를 구성한다.

박막 증착: 트랜지스터끼리 연결해주는 선 작업.

7. 금속 배선 (Metallization)

트랜지스터를 만든다고 끝이 아니다. 이걸 서로 전기적으로 연결해야 진짜 회로가 됨. 구리(Cu)나 알루미늄(Al)으로 배선을 만들고, Low-k 유전체를 사용해 신호 간섭도 최소화함.

8. 테스트 & 패키징 (Test & Packaging)

모든 공정이 끝난 후, 웨이퍼를 절단해 개별 칩(다이, Die)으로 분리한다. 이후 기능 테스트(Final Test)를 거쳐 정상 작동 여부를 확인하고, 패키징 공정을 통해 외부와 전기적으로 연결되게끔 외장을 씌운다.

패키징: 웨이퍼에서 칩을 잘라내고, 외부랑 연결되게끔 케이스를 씌어주는 과정이다. 이걸 통해서 우리가 보는 CPU 등 반도체 모양이 나온다. 기판이나 히트스프레더 이런 것도 전부 이 단계에서 붙인다.

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정리

반도체 제조는 단순히 “전기 흐르게 만들면 되잖아?”가 아니다. 0.000000001m 단위로 재료 깔고 지우고 깎고 붙이고를 반복하는 예술이다. 공정 하나하나가 정밀해야 하고, 각 장비가 수백억~수천억 하는 이유가 다 있다.

이런 과정을 수천 번 반복해서 스마트폰 하나에 들어가는 수십억 개 트랜지스터가 탄생하는 거다. 그래서 반도체 = 기술력 + 돈 + 미친 집요함이 필요하다.