다이싱과 본딩, 웨이퍼 후공정 이해하기

패키징을 공부할 때 플립칩, WLP, TSV 같은 화려한 기술들을 먼저 봤는데, 정작 그 전에 있어야 할 기본적인 단계를 놓치고 지나갔다는 걸 뒤늦게 깨달았다. 웨이퍼 위에 완성된 칩들을 대체 어떻게 하나씩 분리하는 건지, 그리고 이걸 기판에 어떻게 실제로 고정하는 건지 궁금해져서 다이싱과 본딩이라는 기본 공정을 다시 짚어보기로 했다. 화려한 기술만 좇다가 오히려 가장 기본이 되는 단계를 놓치고 있었다는 게 뒤늦게 부끄러웠다. 웨이퍼 하나에는 보통 수백에서 수천 개의 칩이 격자 모양으로 촘촘하게 붙어 있다. 이걸 하나하나 분리해야 개별 제품으로 쓸 수 있는데, 이 분리 작업을 다이싱(Dicing)이라고 부른다는 걸 알게 됐다. 이름 그대로 주사위처럼 작은 조각으로 자른다는 의미였다. 웨이퍼를 자르는 일이 생각보다 정교했다 처음엔 그냥 칼로 종이 자르듯 쓱 자르면 되는 줄 알았는데, 찾아보니 전혀 그렇지 않았다. 웨이퍼는 실리콘이라는 단단하면서도 깨지기 쉬운 소재라서, 일반적인 절단 방식으로는 미세한 균열이 생기거나 칩 자체가 손상될 위험이 크다는 걸 알게 됐다. 그래서 아주 얇은 다이아몬드 블레이드를 초고속으로 회전시켜 절삭하는 방식을 쓰거나, 레이저를 이용해 절단하는 방식을 쓴다는 걸 확인할 수 있었다. 유리를 자를 때도 아무렇게나 힘을 주면 깨지기 십상인데, 실리콘 웨이퍼는 그보다 훨씬 예민한 소재라는 걸 생각하면 이런 정밀한 절단 방식이 필요한 이유가 자연스럽게 이해가 됐다. 특히 흥미로웠던 건 레이저 다이싱 방식이었다. 웨이퍼 내부에 레이저로 미세한 균열을 만들어둔 다음, 이후 물리적인 힘을 가해 그 선을 따라 깨끗하게 분리하는 방식이었는데, 물리적 절삭보다 칩 손상을 훨씬 줄일 수 있다는 설명을 찾아볼 수 있었다. 웨이퍼가 얇아지고 칩 간격이 좁아질수록 이런 정밀한 절단 기술이 더 중요해진다는 것도 이해하게 됐다. 앞서 공부했던 클린룸 얘기와도 자연스럽게 이어졌는데, 이 절단 과정에서 나오는 미세한 부스러기 하나도 주변 칩을 오염시킬 수 있어서 세심하...

반도체 8대 공정 쉽게 이해하기

지난 글에서 반도체가 무엇인지, 메모리와 시스템 반도체가 어떻게 다른지, 팹리스와 파운드리가 어떤 역할을 하는지 정리해봤다. 이번에는 한 단계 더 들어가서 반도체가 실제로 어떻게 만들어지는지, 이른바 "8대 공정"이라 불리는 단계를 하나씩 정리해보려 한다. 처음에는 용어가 낯설어서 뉴스 기사를 봐도 이해가 안 됐는데, 공정 순서를 하나씩 따라가며 정리하고 나니 왜 이 단계들이 중요한지 감이 잡히기 시작했다.


1. 웨이퍼 제조


반도체의 시작은 웨이퍼다. 실리콘을 초고순도로 정제한 뒤, 이를 녹여 원기둥 모양의 결정(잉곳)으로 성장시킨다. 이 잉곳을 아주 얇게 슬라이스하면 동그란 원판이 나오는데, 이것이 바로 웨이퍼다. 웨이퍼는 이후 모든 공정이 진행되는 기본 재료이자 캔버스 역할을 한다.


2. 산화 공정


웨이퍼 표면에 산소나 수증기를 이용해 얇은 산화막을 입히는 단계다. 이 산화막은 회로를 보호하고, 전기가 원하지 않는 곳으로 새는 것을 막아주는 절연층 역할을 한다. 이후 공정에서 회로 패턴을 새길 때 기초가 되는 층이라고 보면 된다.


3. 포토 공정(노광)


웨이퍼 위에 감광액(포토레지스트)을 바른 뒤, 마스크라는 회로 설계도를 통해 빛을 쪼여 원하는 패턴을 웨이퍼 표면에 새기는 단계다. 최근 뉴스에 자주 등장하는 EUV(극자외선) 노광장비가 바로 이 공정에서 쓰이는 장비다. 회로 선폭이 미세해질수록 더 짧은 파장의 빛이 필요한데, EUV는 기존 장비보다 훨씬 정밀한 패턴을 새길 수 있어서 최첨단 공정에서는 필수 장비로 자리 잡았다.


4. 식각 공정


포토 공정으로 패턴을 새긴 뒤, 필요 없는 부분을 화학물질이나 가스로 깎아내는 단계다. 조각가가 불필요한 부분을 정교하게 깎아내듯이, 웨이퍼 표면에서 회로가 아닌 부분을 제거해 실제 패턴 모양을 완성한다.


5. 증착 공정


이번엔 반대로 필요한 부분에 얇은 막을 입히는 단계다. 절연막이나 금속막 등을 웨이퍼 위에 균일하게 쌓아 올려서 회로의 각 층을 형성한다. 반도체는 이렇게 층을 쌓고 깎아내는 과정을 수십, 수백 번 반복하면서 복잡한 3차원 구조의 회로를 완성해간다.


6. 이온주입 공정


웨이퍼에 특정 불순물 이온을 주입해서 전기적 특성을 바꾸는 공정이다. 순수한 실리콘 자체는 전기가 잘 통하지 않는데, 여기에 특정 원소를 미세하게 주입하면 특정 부분만 전류가 흐르도록 조절할 수 있다. 이 과정을 통해 반도체 소자가 전류를 켜고 끄는 스위치 역할을 실제로 할 수 있게 된다.


7. 금속배선 공정


지금까지 만든 회로 소자들을 서로 연결해주는 단계다. 각 소자가 아무리 정교하게 만들어져도 서로 연결되지 않으면 아무 의미가 없다. 금속배선 공정은 마치 도시의 도로망처럼, 완성된 회로 소자들 사이를 미세한 금속선으로 이어주는 역할을 한다. 층이 많아질수록 배선 구조도 복잡해져서, 최신 반도체는 배선층만 십여 층에 이르기도 한다.


8. 테스트 및 패키징


웨이퍼 상태에서 회로가 정상적으로 작동하는지 전기적 신호를 흘려 검사하는 것이 테스트 단계다. 이 단계에서 불량으로 판정된 칩은 이후 공정에서 제외된다. 테스트를 통과한 웨이퍼는 낱개의 칩으로 절단된 뒤, 외부 충격과 습기, 열로부터 보호할 수 있도록 패키징 과정을 거친다. 우리가 실제로 눈으로 보는 검은색 반도체 칩의 모습이 바로 이 패키징 단계를 거친 최종 결과물이다.


왜 굳이 8단계로 나눠서 부를까


사실 실제 반도체 공정은 8단계보다 훨씬 세분화되어 있고, 회사나 제품에 따라 수백 개의 세부 단계로 나뉘기도 한다. 그런데도 업계에서 "8대 공정"이라는 표현을 자주 쓰는 이유는, 복잡한 전체 흐름을 큰 카테고리로 묶어서 이해하기 쉽게 만들기 위해서다. 마치 자동차를 만드는 과정을 설계, 프레스, 차체, 도장, 조립, 검사처럼 큰 단계로 나눠 설명하는 것과 비슷하다. 세부 공정을 다 알 필요는 없어도, 큰 흐름 8가지만 기억해두면 반도체 관련 뉴스나 산업 구조를 이해하는 데 충분한 뼈대가 된다.


각 단계를 공부하면서 흥미로웠던 점은, 앞 단계에서 만든 결과물이 다음 단계의 재료가 되는 구조라는 것이다. 산화막 위에 포토 공정으로 패턴을 새기고, 그 패턴을 기준으로 식각과 증착을 반복하며 층을 쌓아 올린다. 이 과정을 수십 번 반복해야 하나의 칩 안에 수십억 개의 트랜지스터가 촘촘하게 들어간 구조가 완성된다. 처음 이 개념을 접했을 때는 "그냥 화학 처리 몇 번 하는 거 아닌가" 싶었는데, 알고 보니 초정밀 반복 작업의 결정체였다는 걸 깨닫고 나서 반도체 산업을 보는 시각이 조금 달라졌다.


공정을 정리하면서 느낀 점


8대 공정을 하나씩 정리하다 보니, 반도체 제조가 단순히 "부품을 조립하는 일"이 아니라 나노미터 단위의 정밀한 화학·물리 공정을 수백 번 반복하는 작업이라는 걸 새삼 느꼈다. 특히 포토 공정에서 쓰이는 EUV 장비 하나의 가격이 수천억 원에 달한다는 사실을 알고 나서는, 왜 반도체 산업이 소수의 국가와 기업만 주도할 수 있는지 이해가 됐다. 공정 하나하나가 최첨단 기술의 결정체이다 보니, 이 흐름을 알고 나면 관련 뉴스나 기업 실적 발표를 볼 때도 훨씬 입체적으로 이해할 수 있게 된다.


마무리


반도체 8대 공정은 웨이퍼 제조부터 산화, 포토, 식각, 증착, 이온주입, 금속배선, 테스트·패키징까지 이어지는 긴 여정이다. 각 단계가 서로 맞물려 돌아가야 하나의 완성된 칩이 나올 수 있기 때문에, 공정 중 어느 하나라도 미세한 오차가 생기면 불량률이 크게 올라간다. 다음 글에서는 이 공정들 중에서도 특히 화제가 되고 있는 EUV 노광장비와 파운드리 경쟁 구도를 좀 더 자세히 다뤄볼 예정이다.

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