가스분배기
1. 반도체 산업에서의 금속 적층제조
AI 시대가 본격적으로 열리면서 전 세계 반도체 수요가 폭발적으로 증가하고 있습니다. 과거에도 반도체는 우리 삶의 필수품이었지만, 이제는 AI의 방대한 데이터를 처리하기 위해 그 어느 때보다 빠르고 정교한 ‘초격차 연산 능력’이 요구되고 있기 때문입니다.
그렇다면 이토록 고도화된 AI 반도체는 어떻게 만들어질까요? 그리고 이 치열한 제조 혁신의 중심에서 ‘금속 3D 프린팅’은 어떤 역할을 하고 있을까요?
이번 글에서는 반도체의 기본 개념부터 핵심 제조 공정, 그리고 위 영상에서 보시는 핵심 부품인 ‘가스 분배기(샤워헤드, Showerhead)’가 금속 3D 프린팅과 만나 어떻게 한계 수율을 돌파하고 있는지 살펴보겠습니다.
아래 그림은 반도체가 탄생하는 복잡하고도 정교한 여정인 ‘반도체 8대 공정’입니다. 가스 분배기는 식각(Etching)과 증착(Deposition) 공정에 주로 사용됩니다.
2. 가스분배기(샤워헤드)
반도체 제조 공정에서 샤워헤드는 공정 챔버 내의 균일한 가스 흐름을 유지하는 핵심 부품입니다. 가스 흐름이 조금이라도 불균일할 경우 공정의 일관성에 직접적인 영향을 미쳐 결함 발생, 성능 편차, 수율 저하로 이어질 수 있습니다. 따라서 이 부품은 제품의 품질과 제조 효율성 모두에 있어 필수적입니다.
이 샤워헤드의 수 많은 구멍에서 가스를 균일하게 배출하게 됩니다. 그럼 이 가스의 역할은 무엇일까요? 가스를 이용해 반도체칩 표면 위에서 필요 없는 부분을 깎아내거나(식각), 필요한 부분을 필름의 형태로 만들어 원하는 위치에 씌우기도 합니다.(증착)
링크솔루션 파트너 社 BLT의 금속 적층 제조(AM) 솔루션을 사용하면, 이 복잡한 가스 홀(Hole)을 포함한 분산판 전체를 단 한 번의 빌드로 제작할 수 있습니다. 기존의 여러 단계가 필요했던 제조 공정을 이제 하나의 끊김 없는 프로세스로 구현해 낸 것입니다.
그 결과는 어떨까요?
- 공정 단계 단축
- 생산 효율성 향상
- 전체 비용 절감
무엇보다 적층 제조는 가스 흐름 시스템에 더 큰 설계의 자유도를 부여합니다. 이를 통해 내부 구조를 최적화함으로써 기존 제조 방식의 한계를 뛰어넘는 향상된 성능을 이끌어낼 수 있습니다.
3. 반도체는 왜 필요한가요?
1+1. 이 정도 계산은 누구나 1초면 충분합니다. 하지만 우주선을 화성에 보내야 한다면 어떨까요? 인간의 뇌만으로는 평생을 바쳐도 모자랄 복잡한 수식들이 필요합니다. 그래서 우리는 우리의 골치 아픈 계산을 대신해 줄 기막힌 도구를 만들어 냈습니다. 바로 컴퓨터죠.
컴퓨터의 뇌 구조는 우리와 다릅니다. 이들은 오직 ‘2진법’으로만 세상을 이해합니다. 이유는 간단합니다. 컴퓨터의 뇌세포 역할을 하는 ‘반도체’가 딱 두 가지 상태만 가질 수 있기 때문입니다. 전기가 흐르거나(1), 흐르지 않거나(0).
반도체란? ✨
전기가 통하거나 통하지 않게 조절할 수 있는 물질입니다. 순수한 실리콘(규소)은 전기가 통하지 않지만, 여기에 불순물을 살짝 넣어주면 전자가 이동할 수 있는 도체의 성격을 띄게 됩니다.
남는 자유전자가 있는 ‘N형 반도체’와 전자가 모자라 빈자리(정공)가 생기는 ‘P형 반도체’를 조합하면, 전기를 통하게도 하고 완벽히 막아설 수도 있는 ‘스위치(트랜지스터)’가 만들어집니다. 실리콘에 불순물을 섞어 전도성을 조절하는 이 작업을 ‘도핑(Doping)’이라고 하며, 반도체 8대 공정 중 ‘이온주입 공정’을 통해 이루어집니다.
우리가 쓰는 숫자 3은 2진법으로 ’11’입니다. 전구 2개를 나란히 놓고 둘 다 스위치를 켜면 숫자 3이 완성되는 셈입니다. 만약 컴퓨터에게 우리의 십진법을 억지로 가르치려 했다면, 전구 하나의 밝기를 10단계로 미세하게 조절해야 하는 끔찍하게 비효율적인 상황이 벌어졌을 겁니다. 반도체에게는 단순무식하게 ‘켜고 끄는’ 것이 최고의 룰이었던 것이죠.
드디어 골치 아픈 계산을 기계에 떠넘길 수 있게 되었지만, 또 다른 문제가 터졌습니다. 예를 들어 숫자 1,000,000(백만)을 2진법으로 쓰면 ‘11110100001001000000’입니다. 전구 역할을 하는 반도체 돌멩이(2가지 상태를 표현할 수 있는)가 무려 20개나 필요하죠. 여기서 연산까지 하려면 더욱 많은 반도체가 필요합니다. 초기형 반도체(트랜지스터)는 5mm 정도로 꽤 컸기 때문에, 쓸만한 계산기 하나를 만들려면 많은 공간이 필요했습니다.
여기서 인류의 집념이 빛을 발합니다. 이 트랜지스터를 극도로 미세화하여 현대 컴퓨터의 핵심인 MOSFET 구조로 발전시켰고, 수많은 트랜지스터를 하나의 칩에 모아 넣는 ‘집적회로(IC)’를 완성했습니다. 이제 우리는 새끼손톱만 한 칩 하나에 수백억 개의 반도체를 빼곡히 채워 넣습니다.
지금도 천문학적인 숫자의 반도체 전구들이 1초에도 수십억 번씩 깜빡이며 밤낮으로 일하고 있습니다. 인간은 이 작고 경이로운 돌멩이들을 지렛대 삼아 (비록 혼자서는 2개의 표현밖에 못하지만), 지금 이 순간에도 상상할 수 없는 속도로 도약하고 있습니다.
4. 반도체 제작 8대 공정
1. 웨이퍼 공정
먼저 웨이퍼를 만듭니다. 반도체는 실리콘으로 만드는데요. 흔하게 볼 수 있는 모래를 녹여 만듭니다. 물론 순수 실리콘 웨이퍼를 만들기 위해서는 특수공정이 필요합니다. 아래 그림과 같이 잉곳을 만든 후 김밥처럼 잘라내어 웨이퍼를 만듭니다.
- 99.9999999% 의 초순수 실리콘을 도가니에 투입하여 열을 가해 녹인다.
- 녹은 실리콘에 단결정 크리스탈 Seed를 접촉시킨 후 회전시키며 끌어올린다.
- 도가니 상층부의 낮은 온도로 실리콘 단결정이 고체화 되며 잉곳이 성장하게 된다.
- 잉곳을 올리는 속도와 회전력에 비례해 지름이 달라진다.
2. 산화 공정
만들어진 웨이퍼 위에 산화막을 만듭니다. 실리콘 자체가 산화막의 재료가 되어줍니다. 수백억개의 반도체들이 서로 영역을 침범해 전기 신호가 잘못되면 안되기 때문에 산화막이 절연 기능을 해줍니다.
3. 포토 공정
포토 공정은 웨이퍼 위에 빛으로 밑그림을 그려주는 과정입니다. 필름카메라의 원리랑 비슷한데요. 웨이퍼 위에 빛에 반응하는 물질을 바르고, 빛으로 밑그림을 쏴주는 것입니다. 이 공정에 쓰이는 노광장비는 1500억을 호가합니다. 크기도 집채만합니다. 엄청나게 정밀하고 복잡한 반도체 밑그림을 미세하게 축소시켜 웨이퍼에 기록해야하기 때문에 높은 정밀도의 광학기술을 요합니다.
4. 식각 공정 (샤워헤드 사용)
밑그림을 그렸으니 필요없는 산화막 층을 깎아내야합니다. (이렇게 깎아 낸 자리에 반도체 물질이 만들어지는데요, 이러한 반도체가 게이트를 통해 조합되어 전기가 흐르거나,흐르지 않게 만들 수 있는 것입니다.) 산화막을 깎아내기 위해서 할로겐 원소를 가진 에천트 가스를 플라즈마 형태로 웨이퍼가 있는 챔버에 넣어줍니다. 이때 균일한 가스흐름을 만들어내기 위해 미세한 구멍들이 뚫려있는 샤워헤드가 필요합니다. 3D프린팅으로 제작 시 기존의 여러 단계가 필요했던 제조 공정을 이제 하나의 끊김 없는 프로세스로 구현하여 비용절감이 가능합니다.
5. 증착공정 및 이온주입 (샤워헤드 사용)
밑그림을 그리는 과정이 포토 공정, 깎는 과정이 식각 공정이라면, 쌓는 과정은 증착공정입니다. 공정이 진행될 수록 절연막이 계속 필요한데 공정을 진행하다보면 웨이퍼에서 실리콘 원자를 공급받아 절연막을 만들 수 없는 위치가 생깁니다. 그래서 산화공정으로는 절연막을 만들 수 없고 증착공정에서 절연막을 생성합니다. 또한 반도체 소자와 소자 사이를 연결하는 금속 도선을 형성할때에도 금속 박막을 증착을 통해 생성합니다.
증착은 화학적 증착(CVD)가 많이 쓰이는데요. 재료들을 가스 상태로 진공 챔버에 주입하고 열이나 플라즈마 에너지를 가하여 웨이퍼 표면에 박막을 증착시키는 방법입니다. 증착 공정 또한 샤워헤드가 쓰이는 중요한 공정입니다. 이온주입은 위에서 설명한 N형반도체, P형반도체를 만드는 과정입니다. 그리고 반도체는 실리콘에 불순물 도핑하여 만든다고 했죠? 이 과정에서 실리콘 웨이퍼 위에 불순물을 섞어 각각의 반도체를 만들어 줍니다.
여기까지가 반도체 8대 공정에서 앞부분에 해당한다는 FEOL(Front End Of Line)입니다. 2에서 5단계 과정은 필요에 따라 반복된다고 보시면 됩니다. 나머지 공정에 대한 정보는 여러분의 흥미에 따라 검색 및 참고문헌의 도서를 참고하시면 좋을 것 같습니다.
나가며
해당 부품은 링크솔루션 파트너 BLT의 고객社에서 실제로 쓰이는 부품을 기반으로 만들어진 샘플입니다. 링크솔루션 전문가를 통해 반도체 제조과정을 혁신할 수 있는 방안을 살펴보세요.
■ 참고문헌
- 진짜 하루만에 이해하는 반도체 산업, 박진성, (2023)
- 인성시스템, 샤워헤드란? http://insung-sys.com/kr/sub/product/intro.asp
- 반도체 8대 공정 : https://cvlab.tistory.com/57