12인치, 8인치 웨이퍼란 무슨 뜻일까? 웨이퍼는 왜 점점 커졌을까

‘12인치 웨이퍼’, ‘8인치 팹’의 숫자는 웨이퍼의 지름을 말한다. 12인치 웨이퍼의 지름은 300mm(30cm), 8인치 웨이퍼는 200mm(20cm)다. 웨이퍼는 칩을 만드는 둥글고 얇은 실리콘 판으로, 칩은 그 위에 나란히 배치되어 함께 만들어지고 마지막에 잘라 낸다(칩이란?). 뉴스에서 말하는 ‘12인치 팹’은 12인치 웨이퍼로 칩을 만드는 공장이다. 그냥 300mm 웨이퍼라고 부르기도 하는데, 모두 같은 것이다.

‘인치’는 정말 인치일까? 300mm를 왜 12인치라고 부를까?

인치는 맞지만 대략일 뿐이다. 1인치는 25.4mm이므로 정확한 12인치는 304.8mm이고, 300mm를 인치로 바꾸면 실제로는 11.8인치다. 8인치도 마찬가지로, 200mm는 약 7.9인치다.

웨이퍼의 규격은 mm로 정해져 있다. 업계의 공개 표준에는 지름 300mm, 200mm로 적혀 있고 두께까지 정해져 있어, 웨이퍼 제조사와 장비 제조사가 모두 이를 따른다. 아주 초기의 웨이퍼는 2인치, 3인치처럼 실제로 인치로 정했다. 대략 100mm 세대부터 mm로 바뀌었지만, 사람들은 습관대로 가장 가까운 정수 인치로 불렀다. 그래서 ‘12인치’는 이름이지, 재 보면 딱 12인치라는 뜻이 아니다.

웨이퍼 크기는 어떻게 커져 왔을까?

웨이퍼가 처음부터 이렇게 컸던 것은 아니다. 대략적인 순서는 다음과 같다.

• 4인치(100mm) 이전: 더 이른 시기에 한 세대씩 커져 왔다.
• 6인치(150mm): 1980년대.
• 8인치(200mm): 1990년대 초부터 양산에 쓰였다.
• 12인치(300mm): 2000년 전후로 시작되었고, 지금 새로 짓는 첨단 라인은 대부분 이것을 쓴다.

6인치에서 12인치까지는 대략 10년마다 한 세대씩 바뀌었다. 세대가 바뀔 때마다 팹 전체의 장비, 웨이퍼를 담는 박스, 반송 방식이 모두 따라서 바뀌어야 한다. 12인치에 이르자 꽉 채운 박스 하나가 7~9kg이 되었고, 반송도 천장의 OHT(천장 반송 장치)로 바뀌었다(웨이퍼는 팹 안에서 어떻게 이동할까?).

12인치는 8인치보다 얼마나 클까? 칩을 몇 개 더 만들 수 있을까?

지름은 1.5배(300 ÷ 200)지만, 칩은 면 전체에 깔리므로 면적은 두 번 곱해야 한다. 1.5 × 1.5 = 2.25배다. 12인치 웨이퍼 한 면은 약 707cm²로 A4 용지 한 장보다 조금 크고, 8인치는 약 314cm²로 A4 용지 절반 정도다.

들어가는 칩 수는 2.25배보다도 조금 더 많다. 네모난 칩을 둥근 판에 배치하면 가장자리에 온전히 들어가지 못해 버려지는 부분이 생기는데, 웨이퍼가 클수록 버려지는 비율이 작아진다(웨이퍼는 왜 둥글까?에서 다뤘다). 대학 강의에서 흔히 쓰는 어림 공식으로 한 변이 1cm인, 손톱만 한 칩을 계산해 보면 다음과 같다.

웨이퍼	지름	면적	대략 들어가는 칩 수
8인치	200mm	약 314cm²	약 270개
12인치	300mm	약 707cm²	약 640개

640 ÷ 270은 약 2.4배다. 이것은 ‘몇 개가 들어가는가’이지 ‘좋은 칩이 몇 개인가’가 아니다. 만든 칩 가운데 좋은 칩의 비율은 수율이라 한다(뉴스에서 말하는 ‘수율’이란?).

차이가 이만큼 크기 때문에 생산 능력을 집계할 때는 흔히 ‘8인치 환산’으로 바꾸며, 12인치 한 장을 두 장 남짓으로 친다(웨이퍼 투입이란?).

웨이퍼는 왜 점점 커졌을까?

쿠키 굽는 장면을 떠올려 보자. 오븐에서 한 번에 한 판을 굽는데, 판이 조금 커지면 한 번에 몇 개를 더 구울 수 있다. 하지만 굽는 시간도, 오븐을 지키는 사람도 그만큼 늘지는 않는다.

팹도 마찬가지다. 많은 공정은 한 장씩, 또는 한 로트씩 처리한다. 웨이퍼가 커지면 한 번 처리할 때마다 칩을 몇 개씩 더 만들 수 있지만, 장비, 건물, 인력, 전기와 물은 2.25배로 늘지 않는다. 칩 하나에 돌아가는 원가가 낮아질 여지가 생기는 것이다.

‘여지’라고 하는 것은 큰 것이 더 비싸기도 하기 때문이다. 12인치 장비, 웨이퍼, 건물은 모두 더 비싸서, 충분히 많이 만들고 장비에 늘 처리할 로트가 있어야 수지가 맞는다. 그래서 휴대폰과 컴퓨터의 프로세서와 메모리처럼 물량이 아주 많은 칩은 대부분 12인치 팹에서 만든다.

그런데 왜 계속 커지지 않았을까?

더 큰 세대도 업계에서 개발했다. 2010년대에 공동 개발 프로젝트가 있어 웨이퍼를 450mm, 흔히 18인치라 부르는 크기로 키우려 했고, 시험용 웨이퍼와 일부 장비도 만들었다. 하지만 몇 년 지나지 않아 개발이 중단되었고, 지금도 대량 생산은 12인치를 쓴다. 일반적으로 거론되는 이유는 몇 가지다.

1. 모든 장비를 새로 만들어야 한다: 노광, 식각, 박막, 세정, 계측, 반송까지 모든 장비를 새로 설계하고 새로 검증해야 해서 개발비가 엄청나다.
2. 모두가 함께 바꿔야 한다: 웨이퍼 제조사, 장비 제조사, 팹이 함께 바꿔야 의미가 있고, 지금의 12인치 팹을 그대로 개조하기도 어렵다.
3. 이점이 생각만큼 크지 않다: 일부 공정은 원래 작은 칸 단위로 처리한다. 예를 들어 노광 장비는 한 번에 작은 칸 하나만 찍으므로(포토리소그래피(포토 공정)란?), 웨이퍼가 커지면 찍어야 할 칸 수도 따라서 늘어나 이 부분에서는 거의 절약이 없다.
4. 클수록 만들기도 어렵다: 웨이퍼가 클수록 무거워서 버티려면 더 두껍게 만들어야 하고, 웨이퍼를 잘라 내는 실리콘 잉곳도 더 굵게 끌어올려야 해서 더 어렵다.

돈은 많이 들고 이점은 불확실하니, 모두 12인치에 머물렀다.

8인치 팹은 지금 무엇을 만들까?

아직 많은 8인치 팹이 돌아가고 있으며, 가장 작은 스위치가 필요 없는 칩을 만든다.

• 전원 관리: 배터리나 콘센트의 전기를 각 부분에 필요한 전압으로 바꾼다.
• 전력 소자: 큰 전류, 높은 전압을 제어하는 스위치로, 자동차와 모터에 들어간다.
• 아날로그 칩: 소리, 온도, 밝기처럼 연속적으로 변하는 신호를 처리한다.
• 센서, MEMS: MEMS(미세전자기계시스템)는 실리콘 위에 움직이는 작은 구조를 만든 것으로, 휴대폰의 방향 전환을 감지하는 센서가 그 예다.

이런 칩은 몇 세대 전 방식으로도 잘 만들 수 있다. 많은 라인의 장비는 오래 써서 투자비 상각이 이미 끝났고, 만들기도 안정적이고 싸다(뉴스에서 말하는 ‘성숙 공정’이란?). 전부 12인치로 바꾸는 것이 꼭 이득은 아니다.

대부분의 웨이퍼는 실리콘으로 만들지만(왜 실리콘인지는 반도체란?에서 다뤘다), 그렇지 않은 것도 있다. 전력 칩을 만드는 탄화규소 같은 소재는 실리콘보다 결정을 성장시키기가 훨씬 어려워, 지금 흔한 웨이퍼는 아직 6인치이고 8인치로 넘어가는 중이다(뉴스에 나오는 ‘3세대 반도체’란?).

웨이퍼는 얼마나 두꺼울까?

1mm가 안 된다. 업계 표준에 따르면 12인치 웨이퍼는 약 0.775mm(775μm), 8인치는 약 0.725mm로, 신용카드 한 장(0.76mm)과 비슷하다.

큰 웨이퍼일수록 두꺼운 것은 스스로를 지탱해야 하기 때문이다. 반송하거나 가열하거나 고속으로 회전할 때 너무 얇으면 쉽게 휘고 쉽게 깨진다. 실리콘의 밀도로 무게를 계산해 보면 12인치 한 장은 약 130g, 8인치는 약 50g이다.

칩이 완성된 뒤 후공정 공장에서 패키징하기 전에, 웨이퍼는 뒷면을 갈아 얇게 만든다(패키징이란?). 그래서 휴대폰에 들어가는 칩은 원래 웨이퍼보다 훨씬 얇다.

fab24hr에서는

용어 카드 ‘웨이퍼’에는 이 팹이 지름 30cm(12인치) 웨이퍼를 쓰고 한 박스에 25장이 들어간다고 적혀 있다. 긴급 로트 H-2417 박스의 설명 카드에도, 25장을 꽉 닫히는 박스 하나에 담으며 이 박스를 FOUP이라 한다고 적혀 있다. 양산 팹에서 식각 장비 ETCH-03을 누르고 ‘분해해 보기’를 누르면, 챔버 안의 웨이퍼에 지름 30cm라고 표시되어 있다. 후공정 공장에서 다이싱 장비를 누르면, 설명 카드에 웨이퍼를 먼저 뒷면부터 얇게 간 다음 스크라이브 라인을 따라 다이싱한다고 적혀 있다.

게임에는 8인치 팹이 나오지 않고, 공장이 몇 nm 공정인지도 말하지 않는다. 회사, 인물, 로트 번호, 장비 번호는 모두 가상이다. 웨이퍼의 크기와 두께, 점점 커진 이유는 공개된 일반 자료와 업계 표준을 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.