노광공정 공부하면서 웨이퍼에 빛으로 회로 패턴을 새긴다는 것까지는 이해했는데, 그다음이 궁금했다. 빛을 쐈다고 회로가 저절로 파이는 건 아닐 텐데, 그럼 실제로 그 모양대로 깎아내는 건 누가 하는 걸까. 찾아보니 그 역할을 하는 게 식각(에칭) 공정이었다. 노광이 도면을 그리는 거라면, 식각은 그 도면대로 실제 칼을 대는 작업에 가까웠다.
노광공정을 마치면 웨이퍼 표면에는 감광액이 빛을 받은 부분과 안 받은 부분으로 나뉘어 있다. 이 상태에서 화학적 처리를 거치면 빛을 받은 부분(혹은 안 받은 부분, 감광액 종류에 따라 다르다)만 남고 나머지는 씻겨 나가는데, 이러면 웨이퍼 표면에 마스크처럼 패턴이 남는다. 식각은 이 패턴이 없는, 즉 노출된 부분을 실제로 깎아내서 아래쪽 물질에 회로 모양을 그대로 파내는 작업이다. 감광액으로 덮인 부분은 보호받고, 노출된 부분만 깎여나가니 결국 원하는 회로 모양이 입체적으로 완성되는 셈이다. 말로 설명하면 간단해 보이지만, 실제로는 나노미터 단위의 오차도 허용되지 않는 극도로 예민한 화학 반응이라는 걸 나중에서야 실감했다.
습식 식각과 건식 식각, 방식이 다르다
식각에도 크게 두 가지 방식이 있다는 걸 알게 됐다. 습식 식각은 화학 약품 용액에 웨이퍼를 담가서 반응을 일으켜 깎아내는 방식이다. 오래전부터 써온 방식이고 비교적 저렴한 편이지만, 약품이 사방으로 퍼지면서 반응하기 때문에 원하는 방향으로만 정교하게 깎기가 어렵다는 한계가 있었다. 미세한 회로를 다뤄야 하는 요즘 공정에서는 이 방식만으로는 부족하다는 걸 이해하게 됐다.
그래서 지금 첨단 공정에서 주로 쓰이는 게 건식 식각, 그중에서도 플라즈마를 이용한 식각이다. 반응성 가스를 플라즈마 상태로 만들어서 웨이퍼 표면에 쏘아 깎아내는 방식인데, 이 방식은 원하는 방향으로만 정확하게 깎을 수 있다는 게 핵심 장점이었다. 습식 식각이 옆으로도 퍼지면서 깎이는 느낌이라면, 건식 식각은 위에서 아래로 수직으로 깎아 내려가는 느낌에 가까웠다. 회로 선폭이 나노미터 단위로 좁아진 요즘 공정에서, 옆으로 살짝만 더 깎여도 회로가 뭉개지거나 인접한 선끼리 붙어버릴 수 있으니 이 정밀도가 왜 그렇게 중요한지 이해가 됐다. 재밌었던 건 이 두 방식이 완전히 하나로 대체된 게 아니라, 지금도 공정 단계별로 습식과 건식을 섞어서 쓴다는 점이었다. 정밀도가 크게 중요하지 않은 세정이나 큰 면적을 처리하는 단계에서는 여전히 습식 방식이 비용 면에서 유리하기 때문이라는 걸 알게 됐다.
식각 비율이라는 개념이 생각보다 중요했다
식각을 공부하면서 새롭게 알게 된 용어가 선택비(선택도)였다. 식각 공정은 원하는 부분만 깎고 감광액이나 다른 보호막은 최대한 안 깎여야 하는데, 이 둘 사이의 깎이는 속도 차이를 선택비라고 부른다는 걸 알게 됐다. 선택비가 낮으면 원하는 물질을 다 깎기도 전에 보호막까지 같이 깎여버려서 회로 모양이 망가질 수 있다.
이 개념을 알고 나니 왜 식각 공정에서 쓰는 가스 종류와 배합비를 이렇게까지 정밀하게 관리하는지 감이 왔다. 같은 재료라도 어떤 가스를 쓰느냐에 따라 깎이는 속도와 방향성이 달라지고, 이 미세한 차이가 결국 완성된 반도체의 수율로 직결된다는 거였다. 회로를 그리는 것 못지않게, 그 그림대로 정확하게 깎아내는 이 후속 작업이 반도체 공정 전체에서 얼마나 정밀함을 요구하는 단계인지 새삼 실감했다. 램리서치나 어플라이드머티리얼즈 같은 회사들이 식각장비 시장을 오래 장악해온 이유도, 결국 이 가스 조합과 장비 제어 노하우가 하루아침에 따라잡기 어려운 축적된 기술이기 때문이라는 걸 알게 됐다.
3D 낸드를 공부할 때 이해가 안 됐던 부분이 풀렸다
예전에 3D 낸드플래시를 공부할 때 셀을 수직으로 수백 층씩 쌓는다는 얘기를 들으면서, 대체 그 깊은 구멍을 어떻게 정확하게 뚫는 건지 궁금했었다. 이번에 식각 공정을 파고들면서 그 답을 찾을 수 있었다. 수백 층을 관통하는 좁고 깊은 구멍을 뚫으려면 옆으로는 거의 안 퍼지고 수직으로만 파고들어야 하는데, 이게 바로 건식 식각, 그중에서도 초고종횡비 식각이라는 고난도 기술이 하는 일이었다.
이 얘기를 찾아보다가 낸드 적층 단수가 올라갈수록 이 식각 난이도도 같이 기하급수적으로 올라간다는 걸 알게 됐다. 단순히 층을 더 쌓는 문제가 아니라, 그 깊은 구멍을 끝까지 균일하게 뚫어낼 수 있느냐가 결국 몇 단짜리 낸드를 양산할 수 있는지를 가르는 핵심 변수였던 거다. SK하이닉스나 삼성전자가 "몇 단 낸드 개발"이라는 뉴스를 낼 때마다, 그 이면에 이런 식각 기술의 진전이 함께 있었다는 걸 이번에 제대로 연결지어 이해하게 됐다. 구멍 하나 뚫는 기술이 이렇게까지 반도체 용량 경쟁의 병목이 될 수 있다는 게, 공부하면서 제일 놀랐던 부분이었다.
식각 하나 파고들었을 뿐인데, 노광에서 시작해 3D 낸드까지 예전에 따로따로 알고 있던 개념들이 서로 이어지는 느낌이었다. 도면을 그리는 기술만큼이나, 그 도면대로 정확히 깎아내는 기술도 반도체 성능을 가르는 진짜 승부처라는 걸 다시 확인했다. 다음엔 이 식각 다음 단계인 증착 공정도 같이 파봐야 흐름이 완성될 것 같다.
회로 하나가 완성되기까지 이렇게 많은 정밀 단계가 쌓여 있다는 걸 새삼 실감했다.
회로 설계만큼이나 이런 후속 공정 하나하나가 정말 중요하다는 걸 배웠다.
다음 공부 주제로 이어가야겠다는 다짐도 함께 남긴다.
작은 개념 하나에서 시작해 여기까지 온 게 스스로도 뿌듯하다.