반도체 공정을 공부하다 보면 가장 먼저 등장하는 단어가 웨이퍼다. "웨이퍼 위에 회로를 그린다", "웨이퍼 한 장에서 몇 개의 칩이 나온다" 같은 표현을 자주 접하는데, 정작 웨이퍼가 정확히 뭐고 어떻게 만들어지는지는 몰랐어서 이번에 제대로 찾아봤다.
웨이퍼, 반도체의 도화지
웨이퍼는 반도체 회로를 새기는 원판 모양의 기판이다. 흔히 얇은 원형 접시 같은 모습으로, 이 위에 수많은 반도체 칩의 회로가 그려진다. 그림을 그릴 때 도화지가 필요하듯, 반도체를 만들 때는 이 웨이퍼가 회로를 그리는 바탕이 되는 셈이다.
웨이퍼의 주재료는 실리콘(규소)이다. 실리콘은 지구 지각에서 산소 다음으로 흔한 원소이면서도, 반도체 성질을 구현하기에 적합한 특성을 갖고 있어서 오래전부터 반도체 재료로 널리 쓰여왔다. 다만 아무 실리콘이나 쓸 수 있는 건 아니고, 불순물이 극도로 적은 초고순도 실리콘이어야 한다는 걸 알게 됐다. 순도가 조금만 떨어져도 반도체 성능에 큰 영향을 주기 때문이다.
웨이퍼는 이렇게 만들어진다
웨이퍼 제조 과정을 찾아보니 생각보다 여러 단계를 거치고 있었다.
먼저 모래에서 실리콘을 추출하고, 이를 화학적으로 정제해서 순도를 99.9999999%(흔히 나인나인이라고 부르는 수준) 이상으로 끌어올린다. 이렇게 만들어진 초고순도 실리콘을 녹여서 원기둥 모양의 결정으로 성장시키는데, 이 과정을 잉곳(Ingot) 성장이라고 부른다. 실리콘 원자가 규칙적으로 배열된 단결정 구조로 자라나도록 정밀하게 온도와 회전 속도를 조절하는 과정이라는 걸 알게 됐다.
이렇게 만들어진 원기둥 모양의 잉곳을 아주 얇게 썰어내면 비로소 우리가 아는 원판 모양의 웨이퍼가 된다. 이 절단 과정에서 표면이 매끄럽지 않으면 이후 회로를 그리는 공정에 문제가 생기기 때문에, 절단 후에는 표면을 갈고 닦는 연마 공정을 거쳐 거울처럼 매끈한 표면을 만든다. 이 정밀도가 얼마나 중요한지 찾아보다가, 웨이퍼 표면의 미세한 굴곡 하나가 나노미터 단위로 회로를 그리는 공정 전체를 망칠 수 있다는 설명을 보고 새삼 놀랐다.
웨이퍼 크기가 왜 중요할까
웨이퍼는 지름에 따라 크기가 나뉘는데, 요즘 주로 쓰이는 건 300mm(12인치) 웨이퍼다. 예전에는 200mm(8인치) 웨이퍼가 표준이었는데, 시간이 지나며 더 큰 웨이퍼로 전환됐다는 걸 알게 됐다.
왜 웨이퍼 크기가 중요한지 찾아보니, 웨이퍼가 클수록 한 장에서 뽑아낼 수 있는 칩의 개수가 늘어나서 생산 효율이 높아지기 때문이었다. 같은 공정을 한 번 진행하더라도 더 큰 웨이퍼에서 더 많은 칩을 동시에 만들어낼 수 있으니, 단가를 낮추는 데 유리하다는 논리였다. 다만 웨이퍼가 커질수록 표면 전체를 균일하게 가공하는 난이도도 함께 올라가기 때문에, 대형 웨이퍼를 안정적으로 다루는 기술력 자체가 하나의 경쟁력이 된다는 점도 흥미로웠다.
웨이퍼 한 장으로 끝이 아니다
웨이퍼는 그 자체로 완성품이 아니라, 이후 여러 공정을 거치는 시작점이라는 걸 다시 한번 확인했다. 이 매끈한 웨이퍼 위에 감광액을 바르고 빛으로 회로 패턴을 새기는 포토공정, 불필요한 부분을 깎아내는 식각 공정, 필요한 물질을 쌓아 올리는 증착 공정을 반복하며 여러 층의 회로가 완성된다. 이렇게 완성된 웨이퍼는 이후 낱개의 칩으로 잘려 패키징 과정을 거쳐야 비로소 우리가 아는 완제품 반도체가 된다.
이 전체 흐름을 알고 나니, 웨이퍼 자체는 단순한 원판처럼 보이지만 그 안에 수백 개의 칩이 겹겹이 쌓인 정교한 회로로 채워지기까지 얼마나 많은 정밀 공정이 필요한지 실감하게 됐다.
웨이퍼 제조사도 따로 있다는 걸 알게 됐다
공부하면서 새롭게 안 사실 하나는, 삼성전자나 SK하이닉스 같은 반도체 기업들이 웨이퍼를 직접 만드는 게 아니라 전문 웨이퍼 제조사로부터 공급받는다는 점이었다. 일본의 신에츠화학과 섬코, 국내의 SK실트론 같은 회사들이 대표적인 웨이퍼 공급사로 언급됐다. 웨이퍼 시장도 소수 기업이 세계 물량 대부분을 차지하는 과점 구조라는 걸 알게 되면서, 반도체 산업이 설계와 생산뿐 아니라 웨이퍼 같은 기초 소재 단계에서도 촘촘한 공급망으로 이루어져 있다는 걸 새롭게 이해하게 됐다.
헷갈렸던 부분: 웨이퍼 원가와 반도체 원가의 관계
찾아보면서 헷갈렸던 부분 중 하나는 웨이퍼 자체의 원가와 완성된 반도체 가격 사이의 관계였다. 웨이퍼 한 장의 가격은 상대적으로 크지 않지만, 이 웨이퍼 위에 회로를 새기고 검사하고 패키징하는 후속 공정 비용이 훨씬 크다는 걸 알게 됐다. 특히 최선단 미세공정으로 갈수록 웨이퍼 한 장을 처리하는 데 드는 장비 사용료와 공정 비용이 기하급수적으로 늘어나기 때문에, 결국 웨이퍼 자체보다 그 위에서 이루어지는 공정 전체가 반도체 원가를 결정한다는 설명을 찾아볼 수 있었다.
또 하나 흥미로웠던 점은 웨이퍼 한 장에서 나오는 칩의 개수와 그중 정상적으로 작동하는 칩의 비율(수율)이 반도체 회사의 수익성에 직접적인 영향을 준다는 사실이었다. 웨이퍼가 커질수록 칩을 더 많이 뽑아낼 수 있지만, 동시에 표면 전체를 균일하게 가공하는 난이도도 올라가서 수율 관리가 훨씬 까다로워진다는 걸 알게 되면서, 왜 반도체 기업들이 수율 향상에 그렇게 공을 들이는지도 함께 이해하게 됐다.
정리하며
웨이퍼는 그냥 반도체를 만드는 재료 정도로만 생각했는데, 순도 관리부터 결정 성장, 절단, 연마까지 하나하나가 고도의 정밀 기술이 필요한 과정이라는 걸 알게 됐다. 앞으로 반도체 공정 기사를 볼 때, 이 모든 이야기의 출발점에 웨이퍼라는 매끈한 원판이 있다는 걸 떠올리며 읽게 될 것 같다.