칩은 어떻게 만들어질까? 반도체 공정 순서 한눈에 보기

칩은 이렇게 만든다. 모래 속 실리콘을 아주 높은 순도로 정제해 둥글고 얇은 웨이퍼로 만든다. 팹에서는 회로를 한 층씩 ‘찍고’ ‘깎아’ 내는 일을 수십 번 반복한다. 마지막으로 테스트하고, 자르고, 패키지에 넣고, 한 번 더 테스트해 양품만 출하한다. 웨이퍼 위에 만들어지는 것은 아주 많은 수의 작은 스위치(트랜지스터)와 이들을 잇는 배선이다. 전체 과정은 수백 단계에 이르고, 팹 안에서만 몇 주에서 몇 달이 걸린다.

아래에서 각 단계가 무엇을 하고 왜 하는지 순서대로 설명한다. 세부 내용은 단계마다 따로 쓴 글이 있다.

칩 제조 공정은 어떤 순서일까? 표 하나로 보기

순서	단계	장소	하는 일
1	웨이퍼 제조	웨이퍼 제조 공장	실리콘을 아주 높은 순도로 정제하고, 잉곳으로 성장시켜 웨이퍼로 자른다
2	설계, 포토마스크 제작	설계 회사, 마스크 숍	컴퓨터로 회로를 설계하고, 회로를 찍는 데 쓸 포토마스크 한 세트로 만든다
3	회로를 한 층씩 만들기	팹	세정, 산화, 증착, 포토, 식각, 이온 주입, 평탄화를 수십 번 반복한다
4	웨이퍼 테스트	후공정 공장 또는 테스트 전문 공장	자르기 전에 칩을 하나하나 먼저 테스트한다
5	다이싱, 패키징	후공정 공장	칩을 하나씩 잘라 보호용 패키지에 넣는다
6	파이널 테스트	후공정 공장	패키징한 뒤 다시 테스트해 양품만 출하한다
7	제품 조립	고객사의 조립 공장	회로 기판에 납땜해 휴대폰, 컴퓨터에 넣고 사용자에게 전달한다

1단계와 2단계는 앞뒤 순서가 아니라 서로 다른 곳에서 각자 준비한다. 웨이퍼와 포토마스크가 모두 팹에 도착해야 3단계가 시작된다. 업계에서는 흔히 3단계를 ‘전공정’, 4~6단계를 ‘후공정’이라고 부르며, 후공정은 곧 패키징·테스트를 말한다.

1단계: 웨이퍼는 어디서 올까?

모래와 석영의 주성분은 이산화규소로, 실리콘과 산소로 이루어져 있다(왜 실리콘을 쓰는지는 ‘반도체란?’ 참고). 먼저 고온의 가열로에서 탄소로 산소를 떼어 내면 순도 약 98~99%의 실리콘을 얻는다. 이어서 화학적 방법으로 정제를 거듭하는데, 칩을 만드는 실리콘은 순도가 99.9999999%(9가 아홉 개) 이상이어야 한다.

그다음 이것을 녹이고, 원자가 가지런히 배열된 작은 실리콘 조각을 씨앗(seed)으로 삼아 회전시키면서 천천히 끌어올리면 원기둥 모양의 잉곳(ingot)이 자란다. 이를 얇게 자르고 거울처럼 평평하게 연마한 것이 웨이퍼다. 오늘날 가장 흔한 지름은 30cm(12인치)이고, 두께는 1mm가 채 되지 않는다. 웨이퍼가 왜 둥근지는 ‘웨이퍼는 왜 둥글까?’에 썼다.

2단계: 왜 먼저 설계하고 포토마스크를 만들까?

팹은 도면대로 만들기 때문이다. 엔지니어는 먼저 컴퓨터로 회로를 설계한다. 어떤 스위치를 어디에 두고 어떻게 연결할지 정하고, 시뮬레이션과 검사를 여러 번 거친다. 설계가 확정되면 설계 데이터를 넘기는데, 이를 테이프아웃(tape-out)이라고 한다. 설계 데이터는 이어서 한 세트의 포토마스크로 만들어진다. 패턴 한 층에 적어도 한 장씩, 한 세트가 수십 장인 경우도 많으며, 회로를 찍는 데 쓰는 사진 필름 같은 것이다.

같은 칩 설계가 바둑판처럼 웨이퍼 전체에 빼곡히 배열되어, 웨이퍼 한 장에서 수십 개에서 1만 개가 넘는 칩이 동시에 만들어진다(칩과 웨이퍼의 차이는 ‘칩이란?’ 참고).

3단계: 팹 안에서는 무엇을 할까?

웨이퍼 한 로트를 생산 라인에 올리는 것을 웨이퍼 투입이라고 한다. 그다음부터 웨이퍼는 다음과 같은 공정 사이를 오가게 된다.

1. 세정: 약액과 초순수로 눈에 보이지 않는 파티클, 유기물, 금속을 씻어 낸다. 거의 모든 주요 공정의 앞뒤에 세정이 들어가므로 가장 많이 반복되는 공정 중 하나다. (웨이퍼 세정이란?)
2. 퍼니스(산화): 한 번에 백 장이 넘는 웨이퍼를 아주 뜨거운 긴 튜브에 넣어 실리콘 표면에 전기가 통하지 않는 이산화규소 막을 성장시키거나, 열로 이온 주입 때 흐트러진 원자를 다시 가지런히 배열한다. (퍼니스는 무슨 일을 할까?)
3. 박막: 웨이퍼 위에 새로운 재료를 한 층 입힌다. 절연막도 있고 도전막도 있으며, 두께는 대개 수 nm에서 수백 nm에 불과하다. (박막 공정이란?)
4. 포토 공정(리소그래피): 빛에 반응하는 포토레지스트(PR)를 도포하고, 포토마스크를 통해 노광한 뒤 현상해 이 층의 패턴을 찍어 낸다. (포토리소그래피(포토 공정)란?)
5. 식각(etching): 포토레지스트 패턴을 따라 덮이지 않은 재료를 깎아 내야 비로소 패턴이 웨이퍼에 새겨진다. (식각이란?)
6. 이온 주입: 붕소, 인 같은 원자를 실리콘에 쏘아 넣어 어느 작은 영역에 전기가 통할지, 얼마나 통할지를 정한다. 주입하지 않을 곳은 먼저 포토레지스트로 덮어 둔다. (이온 주입이란?)
7. CMP(평탄화): 층을 하나 쌓을 때마다 표면이 울퉁불퉁해진다. 평평하게 연마해야 다음 층의 패턴이 선명하게 찍힌다. (CMP란?)

중요한 공정이 끝나면 몇 장을 뽑아 계측한다. 막 두께와 선폭은 얼마인지, 위아래 층이 정확히 맞는지, 새로 생긴 파티클은 없는지 본다. 수치가 벗어나면 멈추고 원인을 찾는다(‘팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까?’). 이 일곱 가지 공정은 저마다 구역이 따로 있다. ‘반도체 공장의 7개 공정 구역은 각각 무슨 일을 할까?’ 참고.

왜 한 층씩 수십 번 반복할까?

칩은 고층 건물과 같기 때문이다. 맨 아래에는 실리콘 안에 만든 트랜지스터, 즉 스위치가 있다. 그 위로 아주 가는 금속 배선이 한 층 한 층 쌓여 스위치를 연결하는데, 최첨단 칩은 열 층 넘게 쌓기도 한다.

층마다 모양이 다르므로 층마다 한 바퀴를 새로 돈다. 재료를 한 층 쌓고, 필요하면 평탄화하고, 포토 공정으로 이 층의 패턴을 찍고, 찍은 뒤 먼저 계측하고, 그 패턴대로 식각이나 이온 주입을 하고, 포토레지스트를 벗겨 내고 세정한 다음 다음 층으로 넘어간다. 여기서 말하는 층은 패턴을 찍어야 하는 층으로, 트랜지스터를 만드는 층과 배선을 만드는 층이 모두 포함된다. 단순한 칩은 열 층 안팎, 복잡한 칩은 수십 층이다. 웨이퍼 한 장은 포토 구역에 수십 번 돌아오고, 이를 모두 더하면 수백 단계가 된다. 팹에서는 ‘먼저 트랜지스터를 만드는’ 앞부분과 ‘그다음 배선을 만드는’ 뒷부분으로 나눠 말하는 경우도 많다.

왜 클린룸에서 만들까?

칩의 선이 그만큼 빽빽하기 때문이다. 최첨단 칩에서 가장 촘촘한 선은 선과 선 사이의 간격이 수십 nm에 불과하다. 눈에 보이지 않는 먼지 한 톨이 떨어지면 회로 위에 큰 바위를 올려놓은 것과 같아서, 선이 끊어지거나 두 선이 이어져 버릴 수 있고, 그러면 그 칩은 불량이 된다.

그래서 칩은 클린룸에서 만든다. 필터를 거친 공기가 천장에서 아래로 계속 내려오고, 사람은 머리부터 발끝까지 감싸는 방진복을 입으며, 웨이퍼도 팹 안에서 이동할 때는 밀폐 용기에 담긴다. 얼마나 깨끗한지는 ‘클린룸은 얼마나 깨끗할까?’ 참고.

웨이퍼가 완성된 뒤에는? 테스트, 다이싱, 패키징

웨이퍼는 팹을 떠나 후공정 공장(또는 테스트 전문 공장)으로 간다. 이후 과정은 대략 다음과 같다.

1. 웨이퍼 테스트: 자르기 전에 아주 가는 바늘을 각 칩의 접점에 대고 전기를 흘려 한 번씩 테스트하고, 양품과 불량을 웨이퍼 맵으로 그린다. 바늘을 대어 하는 이 테스트를 프로브 테스트라고 한다. 불량을 먼저 골라내면 그 칩을 패키징하는 데 돈을 쓰지 않아도 된다. 프로브 테스트를 팹 안에서 마친 뒤 출하하는 경우도 있다. (칩은 어떻게 테스트할까?)
2. 다이싱: 웨이퍼 뒷면을 연마해 얇게 만든 뒤, 칩 사이의 좁은 틈을 따라 잘라 칩을 하나씩 떼어 낸다.
3. 패키징: 흔한 방식은 칩을 작은 기판에 붙이고, 머리카락보다 가는 금속 와이어로 접점을 바깥에 연결한 뒤(와이어 본딩이란?), 플라스틱으로 통째로 감싸는 것이다. 패키지는 얇고 깨지기 쉬운 칩을 보호하고, 접점을 바깥으로 이어 주며, 열을 내보내도록 돕는다. (패키징이란?)
4. 파이널 테스트: 패키징한 뒤 다시 한 번 테스트한다. 패키징 과정에서도 칩이 손상될 수 있기 때문이다. 일부 제품은 출하 전에 고온에서 전원을 넣고 한동안 동작시켜, 약한 칩이 먼저 고장 나게 해서 미리 골라낸다. (번인이란?)
5. 출하: 양품 부품은 흔히 긴 테이프의 작은 포켓에 하나씩 넣어 릴에 감은 뒤 고객사 공장으로 보낸다. 그곳에서 장비가 하나씩 회로 기판에 납땜하고, 제품에 조립해 사용자에게 전달한다.

칩 하나를 만드는 데 얼마나 걸릴까?

웨이퍼 투입부터 웨이퍼 완성까지 보통 몇 주에서 몇 달이 걸리고, 첨단 공정일수록, 층이 많을수록 더 오래 걸린다(웨이퍼 투입이란?). 이 기간의 대부분은 가공이 아니라 장비 앞에서 줄을 서서 기다리는 시간이다. 장비는 비싸고 웨이퍼는 이렇게 오래 라인에 머물기 때문에 팹은 24시간 멈추지 않는다(반도체 공장은 왜 24시간 멈추지 않을까?). 웨이퍼가 완성된 뒤에도 후공정에 시간이 더 걸려야 출하된다.

fab24hr에서는

fab24hr의 메인 스토리 ‘칩의 일생’은 가상의 보청기 칩 ‘Glowmere’를 따라 바로 이 길을 끝까지 걷는다. 프롤로그 ‘테이프아웃’에서는 Glowmere의 설계가 팹으로 넘어가 포토마스크 한 세트가 된다. 제1막의 무대는 R&D 라인이다. 챕터 2 ‘한 공정씩’은 웨이퍼 투입 후 첫 닷새로, 초도 로트 12장을 따라 세정, 퍼니스, 박막, 포토, 식각, CMP, 이온 주입 일곱 구역을 거치며 구역마다 한 단계씩 직접 처리한다. 제2막은 양산 팹으로, 식각 구역의 공정 엔지니어가 되는데 Glowmere의 긴급 로트 H-2417이 식각 장비 안에 걸려 있다. 제3막은 후공정 공장에서 웨이퍼 테스트부터 출하 전날 밤까지 이어진다. 종장에서 칩은 보청기에 들어가 선 대표 아버지의 손에 전해진다. 각 단계가 어느 챕터에 해당하는지는 ‘칩의 일생’ 페이지에 정리해 두었다.

어느 한 구역에서 하루를 더 보내고 싶다면 ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’ 또는 ‘개발 라인’을 누르고 좌우로 넘겨 원하는 일을 고른다. 구역이 나뉜 일이라면 구역도 하나 고른다. 게임 속 회사, 칩, 인물, 로트 번호, 수치는 모두 허구다. 칩을 어떻게 만드는지, 각 단계를 왜 하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.