반도체 제조 공정을 애니메이션으로 시각화한 “Chip Tycoon”이 공개되었습니다. 미니어처 공장에서 굴러다니는 반도체를 보면서 제조 공정을 이해할 수 있습니다. ChipTycoon: How a Computer Chip Is Made https://laurentiugabriel.github.io/ChipTycoon/ Chip Tycoon에 접속하면 보이는 것이 반도체 공장입니다. 제조 공정이 20단계로 나뉘어 있으며, 각 시설에 반도체를 운반하는 카트가 이동합니다. 반도체는 매우 흔한 모래로 시작됩니다. 단순한 모래가 아닌, 규석(石英)이라는 광물을 매우 많이 포함하는 석영 모래입니다. 규석은 실리콘과 산소가 결합된 것으로, 지구의 지각의 약 4분의 1은 실리콘으로 이루어져 있으므로 원료가 고갈될 걱정은 없습니다. 최고 품질의 규석은 제한된 광산에서 채굴되고 가공되기 전에는 흰색 유리와 같은 모습을 하고 있습니다. 다음으로 규석과 탄소를 약 2000℃의 거대한 전기 용광로에 넣습니다. 탄소는 산소를 매우 강하게 끌어당기므로 모래에서 산소를 빼앗아 가며, 산소는 기체 형태로 빠져나갑니다. 용광로 바닥에서 흘러나오는 것은 약 99%의 순도를 가진 용융 실리콘입니다. 99%라는 숫자는 충분히 보이지만 목표는 99.9999999%입니다. 남은 불순물을 제거하는 것이 다음 건물의 역할입니다. 다음 시설에서는 여러 번 증류를 반복하여 불순물을 제거합니다. 그 후, 깨끗해진 가스를 고온의 막대에 흘려보내면 실리콘이 표면에 고체로 결정화됩니다. 이렇게 만들어지는 것이 폴리실리콘으로, 순도는 99.9999999%입니다. 설탕을 채운 수영장 안에 단지 한 톨의 이물질만 섞여 있는 것과 같은 수준입니다. 폴리실리콘은 작은 결정이 엉뚱한 방향으로 섞여 있는 모음입니다. 하지만 반도체에서는 모든 원자가 동일한 규칙적인 격자 형태로 배열되어야 합니다. 이 처리를 수행하기 위해 폴리실리콘을 녹이고 작은 종자 결정에 담갔다가 회전시키면서 천천히 들어 올립니다. 그러면 실리콘이 종자 결정에 얼어붙고 그 결정 구조를 그대로 복사합니다. 1~2일 동안 들어 올리면 길이 2m, 무게 수백 kg에 달하는 은색의 원통이 됩니다. 그 전체가 끝에서 끝까지 하나의 결정입니다. 다음으로 그 결정을 얇은 원판으로 자릅니다. 다이아몬드 입자를 뿌린 가는 와이어를 여러 개 사용하여 와이어 커터를 사용하여 한 번에 수백 장의 얇은 조각을 냅니다. 각 조각이 웨이퍼(웨이퍼)입니다. 두께는 1mm 미만이며, 겉모습은 흐릿한 회색의 원반입니다. 실제로 필요한 두께보다 약간 두껍게 만들어진 것은 운반할 때 깨지지 않도록 하기 위해서입니다. 회전하는 연마 패드와 백색의 연마액을 사용하여 처음에는 거칠게, 그 다음에는 매우 정밀하게 표면을 연마합니다. 완성된 웨이퍼는 거울과 같습니다. 만약 이것을 축구장만큼 확대해도 가장 높은 솟아오름은 동전 1枚 정도 높이밖에 되지 않습니다. 이렇게 평평해야 하는 이유는 바로 이어서 빛을 사용하여 회로를 그리기 위한 것입니다. 표면이 울퉁불퉁하면 빛의 초점을 맞추기 어려울 것입니다. 반도체는 트랜지스터라고 불리는 수십억 개의 극소형 스위치와 그것들을 연결하는 배선으로 구성된 지도와 같은 것입니다. 물론, 하나하나 손으로 그리는 것이 아니며, 전용 설계 언어로 “이 반도체에 무엇을 시키고 싶은지”를 기술하고 소프트웨어가 자동으로 레이아웃을 생성합니다. 완성된 설계도는 건물의 각 층과 같이 여러 층으로 분할되며, 각각이 후속 인쇄 공정 1회분에 해당합니다. 설계도 각 층은 마스크라는 유리 원판이 됩니다. 마스크는 극도로 순수한 유리판에 1층 분량의 회로 패턴을 얇은 금속 막으로 그린 것입니다. 투명한 부분만 빛이 통과하고 금속 부분은 빛을 차단합니다. 하나의 반도체 설계에는 보통 60장 이상의 마스크가 필요합니다. 마스크에 그려지는 패턴은 완성되는 반도체보다 약 4배 크게 만들어집니다. 노광 장치가 그것을 축소하여 인쇄합니다. 여기부터는 수술실보다 청결한 공기 속에서 이루어집니다. 앞으로 인쇄할 구조는 먼지 1마리보다 훨씬 작기 때문에 먼지 1마리가도 웨이퍼에 떨어지면 그 아래 반도체는 쓸모가 없습니다. 천장으로부터 미세한 필터를 통과한 공기를 밀어 넣고 바닥으로부터 흡입하여 먼지가 쌓히는 틈을 주지 않습니다. 작업자가 전신 흰색 보호복을 입는 것도 인간을 보호하기 위해서가 아니라 인간으로부터 웨이퍼를 보호하기 위해서입니다. 사람은 끊임없이 피부나 머리카락을 떨어뜨리고 있기 때문입니다. 다음으로 웨이퍼 전체를 박막으로 균일하게 덮습니다. 웨이퍼를 산소 하에서 가열하면 실리콘 표면이 유리(산화막)로 변하고 우수한 절연체가 됩니다. 표면에 부착되는 기체를 분사하고 금속이나 절연체를 원자 1개씩 쌓아 올리는 방법이 채택되기도 합니다. 이와 같은 박막은 놀라울 정도로 얇고, 그 중에는 단지 수개의 원자 분량에 해당되는 두께しかない 것들도 있습니다. 이 시점에서 막은 웨이퍼 전체를 균일하게 덮고 있지만 아직 목적의 형태는 아닙니다. 웨이퍼에 빛으로 성질이 변하는 액체인 “포토레지스트”를 도포합니다. 웨이퍼 중앙에 수 啇을 떨어뜨리고 고속 회전시키면 원심력에 의해 액체가 균일하게 퍼집니다. 포토레지스트는 옛날 카메라 필름과 같은 성질을 가지고 있으며 빛이 닿은 부분만 변합니다. 따라서 이 공정 전체는 노란색 조명 아래에서 이루어집니다. 반도체 공장의 사진 속에 노란색 분위기의 것이 있는 이유는 이것 때문입니다. 공장의 심장부입니다. 회로 패턴을 사진처럼 웨이퍼에 ‘연막 인쇄’합니다. 빛을 마스크로 통과시켜 수많은 렌즈로 이미지를 축소한 다음 포토레지스트를 塗った 웨이퍼에 조사합니다. 빛이 닿은 포토레지스트만 변하고 그림자 지는 부분은 그대로 남아 있습니다. 한 번에 노광할 수 있는 영역은 작은 영역뿐이므로 노광한 후에 웨이퍼를 조금 옆으로 이동하고 다시 노광합니다. 이 동작을 수없이 반복하여 웨이퍼 전체에 같은 반도체를 수백 개도 ‘연막 인쇄’합니다. 가장 미세한 패턴에는 EUV(극단적 자외선)가 사용됩니다. EUV는 매우 취급이 어렵고 일반적인 유리どころか 공기에도 흡수되어 버리므로 장치는 진공 속에서 작동하며 렌즈가 아닌 거울을 사용하여 빛을 제어합니다. 다음으로 변화된 포토레지스트를 씻어내고 그 아래 층을 깎습니다. 액체로, 빛이 닿아 변한 포토레지스트만 씻어내고 포토레지스트 자체를 도안으로 남겨둡니다. 그 다음 에칭입니다. 플라즈마가 노출된 부분만 깎아내어 포토레지스트로 덮인 부분에는 닿지 않습니다. 마지막으로 남은 포토레지스트도 제거하면 회로 패턴이 실제 층에 새겨집니다. 순수한 실리콘은 전기를 잘 통하지 않습니다. 하지만 보로시안이나 인 등의 다른 원소를 아주 약간 섞으면 전도성을 자유롭게 제어할 수 있게 됩니다. 이온 주입 장치는 이러한 원자를 매우 빠른 속도로 가속시켜 페인트 스프레이 캔처럼 웨이퍼에 쐬어 넣습니다. 그리고 배선 작업입니다. 절연막에 홈을 파고, 다음으로 표면 전체를 구리로 덮으면 구리가 홈을 메웁니다. 그리고 불필요한 구분을 연마로 갈아 없애면 홈 안쪽만 구리가 남게 됩니다. 이것이 배선입니다. 그 위에 다시 절연막을 형성하고, 같은 과정을 반복합니다. 현대의 반도체에서는 트랜지스터 위에 13~15층 이상의 배선이 쌓여 있습니다. 스티커 정도 크기의 대형 프로세서 1개에 있는 내부 배선을 모두 일직선으로 늘이면 수십 킬로미터에 달합니다. 이까지가 1층입니다. 실제 반도체에는 약 60층이 있으므로, 마지막 6단계는 한 번 진행한 후에는 수개월 동안 반복됩니다. 층을 형성하고, 포토레지스트를 바르고, 노광하고, 식각하고, 도핑하거나 배선을 형성하고, 평탄하게 연마하면 다음 층에서도 같은 것을 반복합니다. 이것이 반도체의 제조에 약 3개월 걸리는 이유이자, 완성될 때까지 웨이퍼가 공장 내를 수십 킬로미터 이동하는 이유입니다. 단일 처리를 기다리는 것이 아니라, 같은 처리를 반복하고 있기 때문입니다. 완성된 웨이퍼는 한 번 검사됩니다. 가는 바늘을 각 반도체의 작은 금속 패드에 접촉시켜 시험 신호를 보내고 돌아오는 결과를 확인합니다. 불량품에는 표시가 찍힙니다. 정상적인 생산 라인에서는 대부분의 반도체가 합격하지만, 모든 것이 합격하는 것은 아닙니다. 이 합격률을 수율이라고 합니다. 수율이 반도체 공장의 이익을 결정하는 숫자입니다. 다음으로 원형의 웨이퍼를 수백 개의 작은 정사각형으로 자릅니다. 다이아몬드 블레이드나 레이저를 사용하여 반도체 사이의 미리 설정된 좁은 공간에 따라 절단합니다. 분리된 각 조각은 다이(Die)라고 하며, 두께는 손톱보다 얇습니다. 합격한 다이만만 회수되고, 불량으로 판정된 것은 폐기됩니다. 웨이퍼는 원형이지만, 자르는 반도체는 정사각형이므로 웨이퍼의 끝은 반드시 낭비됩니다. 웨이퍼가 클수록 낭비되는 비율은 작아지므로, 업계는 더 큰 웨이퍼로 전환해 나가고 있습니다. 불필요한 다이는 너무 약해서 케이스에 담습니다. 다이를 작은 기판에 접착하고, 머리카락 굵기의 가는 와이어나 미세한 양산화제(Solder Paste)로 기판상의 금속 단자와 연결합니다. 이후, 금속 덮개나 단단한 수지 케이스로 덮습니다. 반도체의 회로 기판 상에서 보이는 검은 사각형 부품은 반도체 자체는 아니요, 패키지입니다. 패키지는 기판 상에서 배선하기 쉽도록 단자를 넓히는 역할을 하기도 하며, 더불어 열을 발산하는 역할도 담당합니다. 최종 시험을 수행하고 성능별로 선별하여 출하합니다. 여기서는 고온, 저온, 최고 동작 속도에서 반도체를 검사합니다. 작업대 위에서는 정상 작동하더라도, 따뜻한 노트북 안에서는 정상적으로 작동하지 않는 경우가 있기 때문입니다. 시험 결과에 따라 등급이 결정되며, 가장 빠르고 신뢰성이 높은 것은 최고 가격대 제품으로 판매되고, 나머지는 저가 모델에 할당됩니다. 이후, 트레이나 리ール에 담아 비행기로 운반되어, 인쇄 회로 기판(PCB)에 납땜하는 공장으로 보내집니다. 원문 보기 | 출처: Gigazine