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반도체 입문 · 7강

칩 제조 과정: 공정 흐름 개관

웨이퍼 한 장은 팹 안에서 수백 단계를 거치며 몇 달을 보낸다. 먼저 전체 지도를 보고, 이어지는 강에서 구역별로 자세히 살펴본다.

학습 목표

• 칩 하나가 설계, 포토마스크, 팹, 테스트, 패키징으로 이어지는 대략적인 순서를 말할 수 있고, 공정의 ‘앞’과 ‘뒤’를 나누는 말의 두 가지 뜻을 구분할 수 있다.
• 팹의 일곱 공정 구역인 세정, 퍼니스, 박막, 포토, 식각, CMP, 이온 주입이 각각 무엇을 하는지 안다.
• 칩이 한 층씩 쌓아 만들어진다는 것, 즉 재료를 한 층 입히고, 패턴을 찍고, 필요 없는 부분을 깎아 내는 과정을 여러 번 되풀이한다는 것을 이해한다.

한 단계씩

1. 한 층씩 쌓는다. 먼저 실리콘 속에 트랜지스터를 만들고, 그 위로 금속 배선을 쌓는다.

   이유칩은 빌딩과 같다. 아래의 트랜지스터는 스위치이고, 위의 배선이 그 스위치들을 연결한다. 트랜지스터와 배선 사이는 작고 깊으며 금속으로 가득 채운 구멍으로 위아래가 연결되는데, 이런 구멍을 콘택트라고 한다.

   하지 않으면스위치를 배선으로 연결하지 않으면 저마다 떨어져 있을 뿐이라 계산하는 회로를 이룰 수 없다. 구멍이 바닥까지 뚫리지 않거나 다 채워지지 않으면 위아래가 연결되지 않는다.

2. 층마다 한 바퀴를 돈다. 막을 입히고, 필요하면 평탄하게 갈고, 패턴을 찍고, 먼저 측정하고(틀리면 리워크), 식각하거나 이온을 주입하고, 포토레지스트를 제거하고, 세정한 뒤, 몇 장을 뽑아 다시 측정한다.

   이유재료가 있어야 깎을 수 있다. 포토레지스트가 남길 곳을 덮고, 덮이지 않은 곳만 깎이거나 이온이 주입된다.

   하지 않으면표면을 평탄하게 갈지 않으면 높낮이가 생겨, 다음 층의 패턴이 선명하게 찍히지 않고 정렬도 맞지 않는다.

3. 같은 순환을 수십 번, 수백 단계에 걸쳐 되풀이하며, 단계마다 안정적으로 해내야 한다.

   이유복잡한 칩은 수십 층이 필요하고, 층마다 포토 구역으로 돌아가 그 층의 패턴을 한 번씩 찍어야 한다.

   하지 않으면단계마다 조금씩만 어긋나도 수백 단계를 곱하면 최종 수율(만들어진 칩 가운데 양품의 비율)이 크게 떨어진다.

4. 같은 종류의 일을 하는 장비를 한 구역에 모으고(이 강의에서는 게임에 맞춰 일곱 구역으로 나누었지만, 실제 구분 방식은 팹마다 조금씩 다르다), 웨이퍼는 여러 구역 사이를 오간다.

   이유같은 일을 하는 장비를 한데 모으면 조건을 관리하기 쉽고 사람도 분업하기 쉽다.

   하지 않으면같은 종류의 장비가 여기저기 흩어져 있으면 조건을 맞추기 어렵고 분업도 어렵다. 게다가 층을 하나 만들 때마다 같은 종류의 장비로 돌아와야 하므로, 동선은 애초에 한 줄로 곧게 이어질 수 없다.

5. 웨이퍼 투입(생산 라인에 올리는 것) 날에 이미 물량을 정해 두어야 한다. 한 로트가 투입부터 완성까지 가는 데 몇 주에서 몇 달이 걸린다.

   이유단계가 수백 개이고, 그 시간의 대부분은 가공이 아니라 장비 앞에서 줄을 서는 데 쓰인다.

   하지 않으면중간에 물량을 늘리려 해도, 미리 반쯤 진행한 웨이퍼를 남겨 두지 않았다면 추가분은 첫 공정부터 다시 거쳐야 하므로 또 몇 주에서 몇 달이 걸린다.

핵심 설명

설계와 포토마스크가 있어야 팹이 작업을 시작한다

팹은 도면대로 만든다. 엔지니어가 먼저 컴퓨터로 회로를 설계하고 여러 번 시뮬레이션하고 검사한 뒤, 확정되면 설계 도면을 넘긴다. 이를 테이프아웃이라고 한다. 설계 도면은 이어서 포토마스크 한 세트로 만들어지는데, 패턴 한 층마다 적어도 한 장씩이며, 회로를 찍어 내는 필름 원판과 같다. 웨이퍼와 포토마스크가 모두 팹에 도착하면 웨이퍼 한 로트를 생산 라인에 올리는데, 이를 웨이퍼 투입이라고 한다. 이제부터 수백 단계를 거치며 몇 주에서 몇 달이 걸린다.

일곱 공정 구역, 저마다 하는 일

같은 종류의 일을 하는 장비를 한데 모은 곳이 하나의 구역이다. 세정은 눈에 보이지 않는 오염물을 씻어 낸다. 퍼니스는 웨이퍼 100장 이상을 고온의 긴 관 속에 넣어 전기가 통하지 않는 산화막을 기르거나, 가열해서 주입된 원자가 제자리를 잡게 한다(어닐링). 박막은 새로운 재료를 한 층 입힌다. 포토는 빛에 민감한 포토레지스트를 바르고 포토마스크를 통해 빛을 비춰 패턴을 찍는다. 식각은 패턴대로 필요 없는 부분을 깎아 낸다. CMP(화학적 기계 연마)는 표면을 평평하게 갈아 낸다. 이온 주입은 붕소나 인 같은 원자를 실리콘 속에 쏘아 넣어 어디에 전기가 통할지를 정한다.

칩은 빌딩처럼 한 층씩 올린다

칩의 맨 아래에는 실리콘 속에 만든 트랜지스터가 있고, 그 위로 아주 가는 금속 배선이 한 층씩 쌓여 스위치들을 연결한다. 층마다 모양이 다르므로 층마다 한 바퀴씩 공정을 돈다. 재료를 한 층 입히고, 필요하면 평탄하게 갈고, 포토 공정으로 그 층의 패턴을 찍은 다음, 패턴대로 식각하거나 이온을 주입하고, 깨끗이 세정한 뒤 다음 층으로 넘어간다. 복잡한 칩은 패턴을 수십 층 찍어야 하므로(금속 배선이 십여 층이고, 층과 층 사이의 비아와 아래쪽 트랜지스터 층들도 각각 찍어야 하며, 가장 미세한 층은 두세 번에 나눠 찍는다), 웨이퍼 한 장이 포토 구역에 수십 번 돌아온다. 모두 합치면 수백 단계이고, 가장 복잡한 경우에는 1,000단계를 넘기도 한다.

공정의 ‘앞’과 ‘뒤’에는 두 가지 뜻이 있고, 웨이퍼를 다 만든 뒤에도 테스트·절단·패키징이 남는다

공정의 ‘앞’과 ‘뒤’를 나누는 말에는 두 가지 뜻이 있다. 팹 안에서는 전단 공정(FEOL)이 실리콘에 트랜지스터를 만드는 단계, 후단 공정(BEOL)이 그 위에 금속 배선을 한 층씩 쌓는 단계다. 그 사이에서 트랜지스터까지 내려가 연결하는 작은 구멍(콘택트)은 딱 경계에 있어서, 이 부분을 중간 공정이라고 부르는 사람도 있다. 두 단계 모두 팹 안에서 이루어지며, 웨이퍼는 줄곧 온전한 한 장이다. 트랜지스터를 반드시 먼저 만드는 이유는 전단 공정의 일부 단계가 1,000도가 넘는 온도에서 진행되는데, 금속 배선은 이를 견디지 못하기 때문이다. 산업 전체에서는 전공정이 트랜지스터와 배선을 모두 포함한 웨이퍼 제조 전체를 가리키는 경우가 많고, 후공정은 패키징과 테스트를 가리키며 보통 다른 공장에서 한다. FEOL, BEOL이라고 쓰여 있으면 거의 팹 안의 구분이고, 절단이나 패키징, 낱개의 칩 이야기가 나오면 산업에서 말하는 후공정이다. 웨이퍼가 완성되면 먼저 아주 가는 바늘을 칩 하나하나의 접점에 대고 전기를 흘려 한 차례 테스트한다. 이를 웨이퍼 테스트라고 하며, 팹에서 하기도 하고 후공정 공장이나 전문 테스트 업체에서 하기도 한다. 불량을 먼저 골라내면 그 칩을 패키징하는 데 돈을 들이지 않아도 된다. 이어서 웨이퍼를 낱개의 칩으로 자르고 외장에 넣어, 얇고 깨지기 쉬운 칩을 보호하고 접점을 바깥으로 연결한다. 패키징을 마치면 다시 한 번 테스트한다. 패키징 과정에서 칩이 손상될 수도 있고, 어떤 항목은 패키징을 마쳐야 온전히 테스트할 수 있기 때문이다. 합격한 칩만 출하된다.

흔한 오해

흔히 듣는 말웨이퍼가 팹에 머무는 몇 달 동안은 내내 장비 안에서 가공된다.

실제로는웨이퍼 투입부터 완성까지, 대부분의 시간은 가공이 아니라 장비 앞에서 차례를 기다리며 줄을 서는 데 쓰인다. 장비는 비싸고 웨이퍼가 거쳐야 할 길은 이렇게 길기 때문에, 팹은 하루 24시간 멈추지 않고 사람들이 교대로 지킨다.

흔히 듣는 말팹에서 나오는 것은 바로 쓸 수 있는 낱개의 칩이다.

실제로는팹이 내보내는 것은 웨이퍼 한 장 한 장이다. 그 위의 칩들은 아직 서로 붙어 있다. 칩 하나하나에 먼저 전기를 흘려 테스트하고(이를 웨이퍼 테스트라고 하며, 팹에서 하기도 하고 후공정 공장에서 하기도 한다), 그다음 자르고 패키징까지 마쳐야 비로소 제품에 넣을 수 있는 부품이 된다.

살펴보기: 분해해 보는 장비

• 클러스터 툴COMMON · 공통 골격

필독

• 칩은 어떻게 만들어질까? 반도체 공정 순서 한눈에 보기
• 반도체 공장의 7개 공정 구역은 각각 무슨 일을 할까?
• 전공정·후공정이란? FEOL·BEOL과 패키징·테스트의 ‘후공정’은 무엇이 다를까

더 읽기

• 웨이퍼 투입이란? 웨이퍼 한 로트의 시간은 언제부터 셀까
• 팹(fab)이란? 반도체에서 말하는 fab, ‘팹에 들어간다’는 무슨 뜻일까?
• 레시피란? 팹 장비가 따라 실행하는 ‘공정 레시피’

플레이

챕터 2 ‘한 공정씩’부터 시작하기: 일곱 공정 구역에서 구역마다 한 단계씩 직접 해 보기 →

생각해 보기

1. 칩은 왜 한 번에 완성하지 않고 ‘막 입히기, 패턴 찍기, 식각’을 한 층씩 되풀이할까? 집 짓기나 다른 일상의 예로 설명해 보자.
2. 웨이퍼 한 장이 완성되기까지 몇 달이 걸린다. 이렇게 긴 흐름에서 가장 큰 위험은 어디에 있다고 생각하는가? 어떻게 하면 일찍 발견할 수 있을까?

수업 자료: 슬라이드

이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.

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수업과 비영리 목적이라면 무료로 쓸 수 있다. 출처는 fab24hr로 밝혀 주기 바란다. 판매하거나 자신의 저작물로 바꿔 내놓을 수는 없다. 오류가 있다면 문제 신고

이 글 인용하기‘반도체 입문 · 7강: 칩 제조 과정: 공정 흐름 개관’, fab24hr, 2026년 10월 27일 업데이트. https://fab24hr.com/ko/learn/process-flow/