FAB : 실리콘 웨이퍼가 최첨단 칩으로 변신하는 과정
반도체 FAB (Fabrication) 공정은 반도체 칩을 제조하는 과정의 핵심 단계입니다. 이 과정에서 실리콘 웨이퍼는 다양한 정밀 공정을 거쳐 최첨단 반도체 소자로 변신합니다.
FAB 공정은 매우 복잡하고 기술 집약적이며, 각각의 공정은 고도의 정확성과 청결도가 요구됩니다. 이번 글에서는 반도체 FAB 에 대해 다각도로 알아보고자 합니다.
Table of Contents
1. FAB (Fabrication) 이란?
FAB (Fabrication)는 반도체 제조 과정의 한 단계로, 실리콘 웨이퍼에 다양한 전자 소자를 형성하는 공정을 의미합니다. 이 과정은 매우 정밀하고 복잡하며, 여러 단계를 거쳐 반도체 칩을 생산합니다. 팹공정은 반도체 생산의 핵심 단계로, 여기서 반도체 소자의 기능과 성능이 결정됩니다.
팹공정은 나노미터 단위의 정밀도를 요구합니다. 그러면서도 무결점을 유지하기 위해 클린룸에서 작업이 이루어집니다. 그렇기에 최신 기술과 장비가 필요하며, 지속적인 연구 개발이 중요합니다.
2. 팹 공정의 주요 단계
팹공정은 매우 복잡하고 기술 집약적이어서, 각 스텝마다 아주 세밀한 작업들이 이루어집니다.
2.1 설계 준비: 반도체의 시작
모든 반도체 제조는 설계에서 시작됩니다. 반도체 칩의 설계도는 수많은 전자회로를 포함하고 있으며, 이 설계도를 바탕으로 포토마스크(Photomask)가 제작됩니다.
포토마스크는 웨이퍼에 회로 패턴을 전사하는 데 사용되는 투명한 판으로, 반도체 제조의 정밀도를 결정짓는 중요한 요소입니다.
2.2 웨이퍼 준비: 실리콘의 변신
웨이퍼는 고순도의 실리콘을 녹여 원통형으로 만든 후 이를 얇게 슬라이스하여 만들어집니다. 이렇게 만들어진 웨이퍼는 여러 단계의 화학적, 기계적 처리를 통해 반도체 소자의 기초 재료로 사용됩니다.
2.3 산화 공정: 보호막 형성
웨이퍼 표면에 산화막을 형성하여 보호층을 만드는 단계입니다. 이 산화막은 이후의 공정에서 웨이퍼를 보호하고, 특정 부위의 전기적 특성을 조절하는 역할을 합니다.
2.4 포토리소그래피: 회로 패턴 전사
포토리소그래피(Photolithography)는 반도체 제조에서 가장 중요한 단계 중 하나입니다.
웨이퍼에 감광제를 도포한 후, 포토마스크를 사용하여 자외선을 쬐어 회로 패턴을 전사합니다. 이렇게 전사된 패턴은 이후 에칭 공정을 통해 웨이퍼에 구현됩니다.
2.5 에칭: 불필요한 부분 제거
에칭(Etching) 공정에서는 노출된 감광제를 제거한 후, 그 아래의 산화막이나 금속층을 화학적으로 제거합니다. 이를 통해 원하는 회로 패턴만 남기고 불필요한 부분을 제거할 수 있습니다.
2.6 이온 주입: 전기적 특성 부여
이온 주입(Ion Implantation) 공정은 웨이퍼에 특정 불순물을 주입하여 전기적 특성을 부여하는 단계입니다. 이 공정을 통해 웨이퍼는 반도체로서의 기능을 갖추게 됩니다.
2.7 증착 (금속 배선): 소자 연결
반도체 소자들을 연결하기 위해 웨이퍼에 금속 배선을 증착합니다. 이 금속 배선은 반도체 칩 내부의 소자들을 연결하여 전기 신호를 전달하는 역할을 합니다.
2.8 반복 공정: 다층 구조 형성
위의 과정을 여러 번 반복하여 다층 구조의 반도체 칩을 만듭니다. 각 층은 서로 다른 기능을 가지며, 이 다층 구조를 통해 고성능, 고밀도의 반도체 칩이 완성됩니다.
3. 팹 의 현재와 미래
반도체 산업에서 가장 주목받는 이슈 중 하나는 새로운 팹 건설과 생산 확대입니다. 여러 요인들이 복합적으로 작용하면서 글로벌 반도체 제조업체들은 생산 역량을 강화하고, 공급망의 다변화를 추진하고 있습니다.
3.1 글로벌 팹 (Global FAB) 건설의 가속화
반도체 공급망의 취약성을 극복하기 위해 여러 국가에서 팹 건설이 가속화되고 있습니다. 특히, 미국, 유럽, 일본 등지에서 대규모 팹 건설 프로젝트가 진행 중입니다.
미국은 CHIPS와 과학법(Chips and Science Act)에 따라 540억 달러의 연방 인센티브를 제공하여 국내 반도체 제조 역량을 강화하고 있습니다.
이러한 인센티브는 팹 건설에 필요한 막대한 자본을 보조하며, 공급망의 안정성을 높이는 데 기여하고 있습니다.
3.2 AI와 스마트 제조의 도입
인공지능(AI)과 스마트 제조 기술의 도입은 반도체 팹의 효율성과 생산성을 크게 향상시키고 있습니다.
AI를 활용한 제조 공정 자동화와 IoT 기기를 통한 실시간 모니터링은 ‘라이트 아웃(light-out)’ 팹, 즉 무인 자동화 공장을 실현하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 특히, 생성형 AI(generative AI) 칩의 수요가 증가하면서 이러한 기술의 중요성은 더욱 부각되고 있습니다.
3.3 지속 가능성 및 환경 고려
반도체 제조 공정에서의 지속 가능성은 점점 더 중요한 이슈로 부각되고 있습니다. 많은 반도체 기업들이 탄소 배출을 줄이고, 재생 가능 에너지를 활용하는 방안을 모색하고 있습니다. 이는 고객들의 환경 요구 사항을 충족시키기 위한 노력의 일환이며, 향후 팹 건설 시 재생 가능 에너지 접근성을 중요하게 고려하게 될 것입니다.
3.4 인재 확보와 교육
팹 건설과 운영에 필요한 전문 인력을 확보하는 것도 큰 과제입니다. 숙련된 건설 인력부터 고도의 기술을 요구하는 엔지니어까지, 다양한 인재가 필요합니다.
미국에서는 반도체 산업의 부흥을 위해 교육과 훈련 프로그램을 강화하고, 글로벌 인재 유치를 위한 정책을 마련하고 있습니다.
