반도체에 친환경을 더하다! <1편>

 반도체에 친환경을 더하다! <1편>

 최근, 세계 반도체 매출이 처음으로 4000억 달러를 넘겼다. 최대 메모리 공급 업체인 삼성전자는 2분기 잠정실적이 매출 60조원, 영업이익이 14조원에 이른다고 밝혔다. 세계적으로 반도체의 호황이 계속되는 가운데, 올해 한국의 반도체 수출액은 약 900억 달러(약 101조원)을 돌파할 것으로 예상된다. 4차 산업혁명의 바람이 불면서 클라우드, AI, IoT, 자율주행 등에 대한 다양한 분야에서 반도체에 대한 수요가 늘어나며 그 시장은 더욱 성장할 것으로 예상된다.

 향후 반도체 산업의 주요 화두는 ‘소재’, 그리고 ‘친환경 처리 기술’이다. 반도체 산업의 중요 이익 분야는 세트와 부품을 거쳐 반도체 소재로 이동하고 있다. 반도체 소재 수요의 증가로 인해 제조공정 중 발생하는 폐가스와 폐화학 물질을 중화하는 친환경 처리기술이 중요한 기술이 될 것으로 판단된다. 그렇다면 친환경 기술을 반도체에 어떻게 접목시킬 수 있을까? 반도체가 만들어지는 과정을 살펴보고 어떤 과정에서 친환경 기술이 투입될 수 있을지 알아보자. 

[그림 1.  반도체 기술 방향]

출처: LAM Research, NH투자증권 리서치본부

 먼저 반도체(semiconductor)의 사전적인 의미는 전기가 잘 통하는 도체와 통하지 않는 절연체의 중간적인 성질을 나타내는 물질이다. 오늘 날 전자기기에 활용되는 반도체들은 열, 빛, 자장, 전압, 전류 등의 영향으로 그 성질이 크게 바뀌는데 이 특징에 의해 반도체는 매우 다양한 용도로 활용되고 있다. 반도체가 제조되는 원리인 8대 공정은 매우 복잡하므로 이번 기사에서는 먼저 1~4대 공정에 대해서 알아보도록 하고 이어지는 다음 기사에서 5~8대 공정과 친환경 반도체 기술에 대해 알아보도록 하자.

1. 웨이퍼 제조 공정

 ‘웨이퍼’란 반도체 집적회로를 만드는 중요한 재료로, 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs)등을 성장시켜 얻은 단결정 기둥을 적당한 지름으로 얇게 썬 원판모양의 판을 말한다. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소(실리콘)으로 만든다. 실리콘은 지구상에 풍부하게 존재하며 독성이 없어 환경적으로 우수하다. 모래로부터 추출한 실리콘에 높은 열을 가하여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이를 이용해 실리콘 기둥인 ‘잉곳(Ingot)’을 만든다. 

[그림 2. 실리콘 웨이퍼 제조 과정]

출처: ‘대한민국 경제의 힘, 에너지 경제’

 만들어진 잉곳을 얇은 웨이퍼로 만들기 위해 잉곳을 다이아몬드 톱을 이용하여 균일한 두께로 얇게 절단하면 ‘웨이퍼’가 만들어진다. 절단 직후의 웨이퍼는 표면이 매우 거칠어 사용할 수 없는데, 연마액과 연마 장비를 이용해 웨이퍼의 표면을 거울처럼 반짝이게 갈아내는 연마 작업을 거친다.

 

2. 산화 공정(Oxidation)

 연마 직후의 웨이퍼는 부도체이기 때문에, 반도체의 성질을 만들기 위해 가장 먼저 산화공정을 실시한다. 산화 공정은 웨이퍼에 얇은 막을 증착시키는 대표적인 방법으로, 고온에서 산소나 수증기를 웨이퍼 표면에 뿌려 얇은 실리콘 산화막(SiO₂)을 형성시키는 과정이다. 이 산화막은 공정 시 발생하는 불순물로부터 실리콘 표면을 보호하는 역할을 한다. 산화막 형성 방법 중에선 열산화가 가장 보편적인데, 건식 산화와 습식 산화로 나뉘게 된다. 건식 산화는 산소를 이용해 얇은 막을 형성하는 방법이고 습식 산화는 산소와 수증기 모두를 사용하여 두꺼운 막을 형성할 때 사용된다.

[그림 3. 산화 공정]

출처: 삼성 반도체 이야기

3. 포토 공정(Photo)

 준비된 웨이퍼에 반도체 회로를 그려넣는 과정인 포토 공정의 첫 번째 단계는 컴퓨터 시스템(CAD)을 이용해 웨이퍼에 그려넣을 회로를 설계하는 작업이다. 50~100m 정도의 도면에 세밀한 회로가 그려지고, 도면 검사를 한 후에 이 도면의 회로들은 E-Beam이라 일컫는 설비를 통해 순도 높은 석영을 가공해서 만든 유리판 위에 그려져 MASK(Reticle)로 탄생하게 된다.

 다음 단계로 웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액(PR, Photo Resist)을 골고루 바른다. 빛에 어떻게 반응하느냐에 따라 양성(Positive), 음성(negative)로 나뉘는데, 현상 공정을 할 때 양성 감광액의 경우엔 노광된 영역이 제거되고, 음성 감광액의 경우엔 노광된 영역만 남게 되어 마스크에 있는 원하는 패턴을 그릴 수 있게 되는 것이다. 노광 장비를 사용하여 패턴이 담긴 마스크에 빛을 쏴서 웨이퍼 위에 회로를 그리는 과정을 노광(Stepper Exposure)이라고 하는데, 빛을 선택적으로 조사하기 때문에 노광이라는 단어를 쓴다.

 마지막 단계는 현상(Develop)공정이다. 이 공정은 패턴의 형상을 결정짓는 가장 중요한 단계인데, 웨이퍼에 현상액을 뿌리며 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거해서 회로 패턴을 형성하는 단계이다.

[그림 4.  노광 단계에서 양성, 음성에 따른 모식도]

출처: 삼성 반도체 이야기

 위에서 포토 공정에 대해 알아보았다. 빛을 사용하여 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 웨이퍼 위로 비춰 웨이퍼 위에 회로를 그리는 공정인 포토공정(Photo)의 원래 이름은 포토 리소그래피(Photo Lithography)인데 이 때 미세 패턴을 사용하여 칩을 구성하는 단위 소자를 작게 만드는 것이 중요하다. 따라서 집적도가 높아질 수록 높은 수준의 포토공정 기술이 필요한 것이다.

4. 식각 공정(etching)

 포토 공정이 끝난 후에는 회로에 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 과정이 필요하다. 식각 공정은 식각 반응을 일으키는 물질의 상태에 따라 습식(wet)과 건식(dry)로 나뉘게 되는데 습식에 비해 건식은 비용이 비싸고 방법이 까다롭지만 나노 스케일로 집적화되는 기술의 흐름상 더 미세한 회로를 그려낼 수 있는 건식(dry) 식각이 널리 쓰이고 있다. 건식 식각은 플라즈마 식각, 스퍼터 에칭, 반응이온 에칭으로 나뉘는데, 플라즈마 에칭은 주로 불소(F)를 함유한 플라즈마가 채워진 공간에 기판을 담그는 방식이고, 스퍼터 에칭은 Ar과 같은 가스로 기판 표면에 충격을 가해 불필요한 부분을 깎아내는 방식이다. 반응 이온 에칭은 플라즈마 에칭과 스퍼터 에칭을 결합한 것으로, 식각 가스를 플라즈마 상태로 만들고 상, 하부의 전극을 이용해 플라즈마 상태의 가스를 기판에 충돌시키는 방식으로 물리적 충격과 화학반응의 결합에 의해 이뤄진다.

 플라즈마란 고체, 액체, 기체가 아닌 제 4상태의 물질로서 많은 수의 이온핵과 자유전자로 구성된 이온화된 기체이다. 즉 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 말하는데, 전하분리도가 상당히 높으면서도 중성이다. 고체에 에너지를 가하면 액체, 기체로 되고, 다시 이 기체에 높은 에너지를 가하면 플라즈마 상태가 되는 것이다. 식각 공정에서는 전기에너지에 의해 형성된 자기장이 자유전자를 가속시켜 높은 에너지를 가진 자유전자가 중성의 분자와 충돌하여 이온화를 일으키고 연쇄반응에 의해 또 다른 이온화를 일으키며 이온의 수가 기하급수적으로 늘어난 ‘플라즈마 상태’를 만들고, 플라즈마 상태의 반응성 원자가 웨이퍼를 만나 강한 휘발성을 띠면서 표면에서 떨어져 나가게 되는 것이다.  

[그림 5. 플라즈마의 생성 원리]

출처: 삼성 반도체 이야기

 건식 식각 과정에서는 균일도를 유지하는 것, 식각 속도, 선택비, 형상 등이 중요하다. 균일도란 식각 속도가 웨이퍼 상 여러 지점에서 동일한 정도를 뜻한다. 만약 균일도가 낮다면 웨이퍼의 각 지점마다 모양이 다르므로 회로의 효율이 떨어지기 때문이다. 또, 식각 속도는 일정한 시간동안 산화막을 얼마나 제거할 수 있는지를 의미하는데, 식각 속도가 빠를수록 공정 전체의 수율이 증가하기 때문에 이에 대한 연구가 활발히 진행중이다.  

[그림 6. 에칭 공정 모식도]

출처: 삼성 반도체 이야기

 

참고자료

1. 삼성 반도체 이야기

2. 네이버 지식백과 ‘플라즈마’

3. NH 투자증권 industry report ‘반도체 산업, 무어의 법칙 5: 3D 아키텍처’