출처 : DBR 2013 No.130

성공하고 싶다면 '역산 스케줄링'연습하라.

우리 사회에서 가장 성공한 사람은 10년, 20년 후의 미래를 생각하는 장기적인 전망을 갖고 있는 사람들이었다.
- 에드워드 밴필드

성공하는 사람은 미래로부터 역산해서 현재의 행동을 결정한다.

- 간다 마사노리

무엇이 되고자 하는가? 그것을 먼저 자신에게 말하라. 그리고 해야 할 일을 행하라.
- 에픽테투스

▶ 스케줄링, 즉 계획을 세우는 순서에는 기본적으로 두 가지가 있다. 현재를 기점으로 순차적으로 계산해 목표달성 시기를 추정하는 '순행스케줄링(Forward Scheduling)'과 최종 목표달성 시간, 즉 미래를 기준점으로 역산해서 지금 당장 해야 할 일을 선택하는 '역산스케줄링(Backward Scheduling)'이다.

▶ 열심히 살면서도 성과를 올리지 못하는 사람들은 대부분 '그냥 열심히 하다보면 어떻게 되겠지' 하며 그냥 열심히 일을 한다. 그래서 긴급한 일이 생기면 곧바로 옆길로 샌다. 현재의 관점에서 일을 바라보면 '해야할 일' 과 '하지 않아도 될 일'의 경계가 모호해져 모든 일이 중요한 것처럼 느껴지기 때문이다. 그러나 소수 차별화된 사람들은 다르다. 그들은 목표가 생기면 먼저 최종달성 시한을 정한다. 그러고 나서 현재 지점까지 전체 거리를 파악하고 역으로 계산해 지금 당장 처리해야 할 과제를 만들어 낸다.

▶ 역산스케줄링은 공부나 사업뿐 아니라 노후 대비나 건강관리, 인간관계 등 삶의 모든 영역에 적용할 수 있다. 행복한 노후를 보내려면 은퇴 후 하루 종일 아내와 함께 지낼 시간으로 미리 거슬러 올라가 지금 아내에게 어떤 태도를 취해야 할지 생각해봐야 한다. 노후에 자녀들이 곁에서 자신의 이야기에 귀 기울여주기를 바란다면 힘없고 외로운 노년기를 떠올리며 오늘 힘들어하는 자녀를 따뜻하게 위로해줘야 한다.

DBR 2013 No.128

자전거 팔던 라이트 형제가 大 과학자 제치고 동력비행 성공한 이유는?

◆ 라이트 형제가 세계 최초로 동력 비행에 성공한 이유
1. 이론보다는 현장 실험을 중시했다.
2. '날아야 한다'는 비행기의 본질을 정확하게 이해하고 있었다.
3. 숱한 실패에도 좌절하지 않았고 실패에서 얻은 결과를 제작에 반영했다.

하고 있는 일이 성과를 거두지 못하고 있다고 판단되면 많은 사람들은 지금까지 해오던 일을 더 오래, 더 열심히 한다. 그러나 대다수는 원하는 결과를 얻지 못한다. 문제를 제대로 파악하지 못한 채 지금까지 사용했던 비효과적인 방법을 계속 반복하기 때문이다. 문제를 제대로 파악하기만 하면 문제를 푸는 것은 식은 죽 먹기처럼 쉬운 경우가 많다. 사람들은 문제가 생기면 문제의 본질을 제대로 파악하기도 전에 무턱대고 문제를 해결하려고 덤비는 이유는 생각하기 힘들고 귀찮기 때문이다. 성공하는 사람들은 문제가 무엇인지를 알아내기 위해 오랜 시간 고심한다. 그리고 결과적으로는 이들이 더 빨리 문제를 해결한다.

어떤 문제를 정확하게 설명하는 일은 그 해답을 찾는 일보다 훨씬 더 중요하다.
- 알버트 아인슈타인 -

어떤 사람이 하는 일에 성과가 없다면 그것은 엉뚱한 문제를 푸는 데 시간을 낭비했기 때문이다.
- 로버트 스턴버그

사람들은 생각을 하느니 차라리 죽음을 택하곤 했다. 지금도 여전히 그렇게들 하고 있다.
- 버트런드 러셀

▶ 같은 방법을 반복하면서 다른 결과를 기대하지 말라.

인간관계든 비즈니스든 소기의 성과를 거두지 못하고 있다고 판단되면 많은 사람들은 지금까지 해오던 일을 더 오래, 더 열심히 한다. 그러나 그들 중 대다수는 안타깝게도 원하는 결과를 얻지 못한다. 문제를 제대로 파악하지 못한 채 지금까지 사용했던 비효과적인 방법을 계속 반복하기 때문이다. 그래서 아인슈타인은 이렇게 말했다. "같은 방법을 반복하고도 다른 결과를 기대하는 사람은 정신병자다." 변화를 시도할 때 가장 중요한 것은 우리가 갖고 있는 문제가 무엇인지를 제대로 파악하는 것이다.

▶ 문제 파악에 더 많은 시간을 투자하라.

망치를 열심히 두드리는 것보다 어디를 두드려야할지를 알아내는 것이 더 중요하다. 그러므로 어떤 일을 하건 문제를 해결하기에 앞서 문제를 제대로 파악하는 데 더 많은 시간을 투자해야 한다. 수학자 헤이스카는 <학문의 즐거움>에서 이렇게 말한다. "어떤 문제에 부딪히면 나는 미리 남보다 시간을 두세 곱절 더 투자할 각오를 한다." 백 번 들어도 지당한 말이다. 그런데도 문제가 생기면 문제의 본질을 제대로 파악하기 전에 무턱대고 문제를 해결하려고 덤비는 사람들이 많다. 생각하는 것이 힘들고 귀찮기 때문이다. 그러나 성공하는 사람들은 다르다. 문제가 무엇인지를 알아내기 위해 오랜 시간 고심한다. 그리하여 결과적으로 더 빨리 문제를 해결한다. 열심히 노력하는데도 성과가 오르지 않는다면 문제를 제대로 파악하기 위해 지금보다 더 많은 시간을 투자해야 한다.

▶ 문제 파악을 위한 3단계 : A-C-T 과정

1) A(Accept : 인정)
- 자신에게 문제가 있다는 사실을 인정하고 자기 내부에 존재하는 문제의 원인들을 모두 찾아본다.
2) C(Choose : 선택)
- 각각의 원인에 대한 해결책들을 만들어내고 그중에서 최선이라고 판단되는 해결책을 선택한다.
3) T(Try : 시도)
- 선택한 해결책을 실천하고 결과를 확인한다. 효과가 없다면 A-C-T 과정을 다시 거치면서 더 효과적인 해결책을 찾아본다.

Cleaning (세정)

반도체를 만들 때 가공을 하는 역할이 중요하지만, 가공 작업 후 '세정'이라는 작업을 반드시 거쳐야 한다.
과거에는 세정작업이 Diffusion(확산), Thin Film(박막), Photo(노광), Etch(식각)에 종속된 보조공정(Sub Process)이라는 인식이 많았으나 요즘에는 없어서는 안될 필수 공정(Main Process)이 되었다. 회로가 점점 미세화 되어감에 따라 웨이퍼 가공 전후에 이물질을 제거해야만 제대로, 정확히 동작하는 고신뢰성의 반도체가 만들어지기 때문에 세정 작업이 중요하게 된 것이다.

반도체 가공 작업 중에는 여러 가지 오염원이 도처에 있다. 대표적인 것이 디펙트(Defect)와 파티클(Particle)이다. 이 오염원으로부터 자유로와 지도록 하는 역할이 세정 작업이다.

세정 작업이 이루어지는 장비는 윁 스테이션(Wet-Station)이라고 하여 장비 안에 여러 종류의 욕조(Bath)가 있다. 그래서 세정공정의 장비가 다른 공정의 장비보다 길고 크다. 어찌 되었든 간에 이 여러 종류의 욕조는 각각의 성능과 역할이 다르다.

반도체의 세탁소! 반도체의 목욕탕!

훌륭한 세탁소는 옷의 재질이 가죽이던 모시던 삼베던 상관없이 고객이 요구하는 사항대로 일을 척척해 냅니다.
세정공정도 어떤 디바이스(Device)인지, 어떤 공정인지(확산, 박막, 노광, 식각 등) 구분 짓지 않고 모든 공정에서 요구되는 세정을 하고 있다. 그래서 반도체 라인에서 각각의 공정별로 모여있지만 세정공정은 축구장의 2~3배나 큰 반도체라인 전체에 골고루 포진되어 있다.

반도체 세정에서 중요한 인자는 케미컬(Chemical), 온도(Temperature), 혼합 비율(Mixing Rate)등이 있다. 오염원의 종류에 따라 세정작업이 달라진다.

그래서 장비의 내부에는 여러 종류의 욕조(Bath)가 있다. 마치 우리가 목욕탕에 가면 냉탕, 온탕, 열탕, 거품탕, 쑥탕 등등
많은 종류가 있고 그 효과가 다르듯 반도체 세정도 오염원과 공정에 따라서 달리지게 된다.

오염원의 종류에 따라 케미컬의 사용이 달라지고, 또 그 안에 케미컬의 혼합비율이 달라진다. 그리고 얼마 동안, 어떤 방식으로 세정하는지 그 방법은 세정공정의 레시피(Recipe)가 되는 것이다.
세탁기의 세탁모드(표준, 울, 속옥, 이불 등등)가 각각의 세탁기 제조사 별로 조금씩 차이가 있듯이 반도체 세정공정에서도 케미컬의 혼합비율과 온도, 시간 그리고 세정순서도 반도체 제조사별로 차이가 있다.

또한 세탁을 할 때 어떤 표백제를 쓸 것인지, 삶을 것인지, 세제에 오랫동안 넣어 둘 것인지 다양한 방법이 있다.
이것처럼 세정에서도 Dipping(담구기), Shower(샤워), Flushing(넘치게 하기) 등등 여러가지가 있다.

특히 공기방울(Bubbling)을 이용하여 세정하는 방법이 있는데, 모회사의 세탁기가 반도체에서 사용하는 세정방법을 세탁기에 응용한 것이다.

공기방울이 물속에서 터질 때의 힘은 빨래 방망이로 두드리는 힘보다 더 세다.
이 원리와 힘을 이용하여 웨이퍼의 표면에 달라붙어 있는 파티클을 떼어내고 제거해주게 된다.
그리고 탈 수를 할 때 원심력을 이용해 빨래통이 돈다. 반도체에서도 스핀드라이어(Spin Dryer)또는 스크러버(Scrubber)에서 원심력을 이용해 세정을 한다.

세정의 종류도 여러 가지

세정의 공정도 세분화하면 케미컬을 이용한 세정과 초순수(DIW)를 이용한 린스(Rins), 건조(Dry)로 크게 분류할 수 있다.
세정은 이미 말씀 드린 것처럼 케미컬을 이용하여 원하는 물질과 파티클을 선택적으로 제거하게 하고, 린스는 초순수( DIW)와 초음파(Sonic)를 이용하여 케미컬과 세정작업시 부가적으로 발생하는 이물질을 제거해준다.
그리고 건조는 린스 작업 후 생기는 물의 흔적을 원심력(Spin), 공기(N2), 알코올(IPA)등을 이용해서 깨끗한 상태로 만들어 주는 역할을 한다.

특히 초음파는 파장에 따라서 Ultra-sonic, Mega-sonic, D-sonic 등이 있는데 이는 우리가 안경집에서 안경을 닦을 때 진동자가 "우울~"떨면서 안경의 표면에 눌러 붙어있는 먼지를 떼어 내주는 역할을 한다.
건조(Dry)에 대해서 조금 더 자세히 알아보면 과거에는 스핀드라이어(Spin Dryer)로 건조를 했으나 이 방법은 물의 흔적이 발생하여 요즘에는 거의 사용하지 않는다.

마치 세탁기가 예전에는 손빨래를 하다가 짤순이(Spin Dryer)가 생기고 그리고 세탁기가 만들어지고 요즘에는 드럼세탁기가 만들어져 물을 끓여 빨래를 삶거나 건조기능까지 더해져 있는 것처럼 반도체 세정공정도 웨이퍼를 깨끗하게 해주는 방법을 여러가지로 연구하고 ㅂ개발하고 있다.

반도체를 조각하는 사람들

자, 판화를 생각합시다. 예쁜 밑그림을 노광(Photo)공정에서 인쇄하듯이 그려내고 그려진 모양을 정성과 땀을 모아 예쁜 그림이 판화에다 그려내듯 실리콘 기판 위에 주어진 모양으로 조각을 한다. 잔기교를 부려서는 안된다.
땀과 정성으로 한치의 오차도 없이 있는 그대로의 모습으로 정확하게 주어진 그림을 조각하는 것이 식각(Etch)하는 사람들의 소명이자 보람이다.

장인의 땀방울과 정성이 Etch하는 사람들의 기본이다.
얼마나 정확하게 해야 할까?
쉽게 풀어서 설명하자면 사람들은 머리카락에 비유한다.
보통 성인의 머리카락의 2000분의 1정도의 미세화하여 조각하는 것은 기본이다.
가장 가늘게 형성하는 것은 지금도 머리카락의 4000분의 1도 Etch는 할 수 있다.

더 이야기하면 놀랄 일이다.
머리카락의 2000분의 1의 주어진 그림을 판화처럼 깎아낸다. 그러면서도 그 하나하나의 회로와 선들간에 허용하는 오차는 겨우 머리카락의 20000분의 1정도로 유지 관리해야 한다. 허용 오차 이상으로 그 가는 회로 선들이 형성되었을 때 곧바로 제품 불량으로 이어질 수 있기 때문에 Etch하는 사람들은 자신의 기술, 능력, 혼 전부를 건다.

꼼꼼하게 깐깐한 그대 이름은 '깍쟁이 Etch'

학교 다닐 때 배웠을 거다. 물질 중에 가장 작은 단위는 원자라고.
Etch가 허용하는 오차는 '실리콘(Si)원자간의 최단 거리의 10배'다. 이보다 더 굵게 깎아지거나 가늘게 깎아지면 공정 불량으로 간주한다.
물질 구성 기본 단위인 원자에 가까운 크기를 제어한다 신기하지 않은가?
물론, 예술가처럼 예쁘게 멋있게는 못해도 세상 그 어느 누구보다도 정교하고 정확하게 해야 한다. 재미는 없을지 몰라도 그 정교함을 천명으로 생각한다. 그래서 모든 Etch의 업무는 '대충' 혹은 '설렁설렁'하게 되면 낭비가 되고 쓸모 없는 일이 되어 버린다. Etch를 업으로 하는 사람은 그래서 꼼꼼하고깐깐해야 하는 깍쟁이가 되어야 한다.

그 작은 걸 어떻게 깍아요?

미세한 선을 깍고 형성하는 Etch는 조각칼 따위로는 절대 할 수 없다.
낭만적이지 못해도 과학적으로 한다. 원래 식각공정(Etch Process)은 가스를 이용하는 Dry Etch(건식 식각)와 케미컬을 이용하여 Wet Etch(습식 식각)로 크게 2종류로 분류한다.
그러나 Wet Etch는 사용하는 Chemical 종류와 특성에 따라 사용영역이 다양하다.

따라서 일반적으로 식각(Etch)이라 함은 보통 건식 식각인 Dry Etch를 일컫는 말이라고 할 수 잇다.
Dry Etch란 가스를 진공챔버에 주입 시킨 후 RF Power(에너지)를 인가하여 플라즈마를 형성시키고 이 플라즈마를 이용해 물리적 또는 화학적 반응을 일으켜 필름을 식각하는 공정을 말한다.

Dry Etch는 Wet Etch 방식과 비교하여 Etching 제어력이 높다는 이점으로 현재 거의 대부분 Dry Etch기술을 이용한다.

비움의 미학! 뼈를 깎는 노력! Etch!

에치 공정(Etch Process)은 웨이퍼에 그려진 패턴대로 식각을 시킨 후 그 부산물들을모두 펌프로 배출한다. 깍아내고, 들어내고, 녹여버리기에 부식성 가스를 많이 쓰고, 사용된 부식성 가스와 깍아낸 물질은 모두 비워버리는 역할을 하게 된다. 이렇게 비워 버림으로써 보다 좋은 회로를 만들고 보다 훌륭한 반도체를 만들고 있다.

사진을 잘 찍는 기술! Lithography

PHOTO는 사전적 의미로 원래는 PHOTO-LITHOGRAPHY에서 따온 것으로 반도체 공정의 가장 핵심공정 이라고 할 수 있다.
Lithography라 함은 독일어 'Lithographie'에서 유래되었는데, 그리스어인 'Lithos(돌)'과 'Graphein(쓰다)'가 합성된 것이다.

즉, 돌에 그림을 새겨 넣는 석판화 기술로 표현되기도 한다.
Lithography Process를 이해하기 위해 우리 주변에서 가장 손쉽게 접할 수 있는 카메라를 생각하면 이해가 쉬울 것이다.
사진을 찍기 위해서 무엇이 필요할까? 가장 중요한 것은 일단 사진을 찍기 위한 도구인 카메라가 있어야 한다.
사진기의 성능을 좌우하는 바디(Body)의 성능(연사능력, 이미지센서 크기, 부가성능..), 렌즈의 성능(색재현성, 빛의 투과율, 왜곡의 정도 등등...), 부가 액세서리(삼각대, 후레쉬, 저장장치 등등)의 활용 정도 그리고 사진작의 창의적인 사고와 열정이 필요하다. 그렇게 될 때 비로소 훌륭한 작가로 거듭나고 사진 한 자으로 많은 사람들에게 작가의 의도와 즈낌 그리고 감동을 전해 줄 수 있다.
사진을 잘 찍은 후 필름을 사진괌에 맡기면 인화를 해 줍니다. 이 인화와 현상 기술에 따라 색감, 느낌 등의 결과물이 달라지게 된다.

이와 비슷하게 반도체의 포토공정은 크게 3가지 공정, 즉 노광(Expose)공정, 현상(Develop)공정, 도포(Coating)공정으로 나뉜다.


세계에서 가장 좋은 사진기 = 노광(Expose) 공정

첫 번째 노광(Expose) 공정은 사진기의 역할을 하는 공정이다.
사진기의 성능이 좋아야 하듯 노광 장비의 성능이 중요하다. 노광 장비는 크게 사용하는 광원에 따라 i-Line장비와 DUV(Deep Ultra Violet)장비로 나뉘어 진다. i-Line은 광원을 램프에서 자외선을 추출해 사용하고, DUV 장비는 광원으로 레이저를 이용한다. 그리고 레이저에는 ArF(파장:193nm), KrF(파장:248nm)를 사용한다. 반도체 회로에 요구되는 선폭은 점점 미세화 되어가고 있기 때문에 미세회로 패턴 작업에 있어서 광원의 파장이 짧아야 빛의 회절현상이 줄어들어 보다 미세한 회로구현이 가능하다. 따라서 파장이 짧은 DUV장비를 사용이 늘어가고 있는 추세이다.

사진기의 성능을 따질 때 여러가지 요소가 있겠지만 특히 빛을 다루는 분야이기에 렌즈의 성능이 매우 중요하다. 그래서 노광 장비를 말할 때 핵심이라고 할 수 있는 렌즈를 빼 놓을 수 없다. 렌즈의 구경이 넓고 빛을 여과없이 투과해서 좋은 렌즈가 된다. 그래야만 얼마나 작은 크기(Size)의 모양(Patter)을 얼마만큼 선명하게 그리느냐가 결정된다.
그래서 고가의 장비에 장착된 렌즈의 값만 100억원 정도 합니다. 특히 ArF Immersion장비는 장비 한대의 가격이 600억원을 호가한다. 이러니 세계에서 가장 비싼 사진기가 아니겠는가? ArF Immersion장비는 물을 이용하여 기존의 ArF자이의 한계인 렌즈의 성능을 극복하게 되었다. 즉 물을 이용해 렌즈의 성능과 역할을 극대화 한 것이다.

그리고 노광(Expose)공정을 촬영 방법에 따라 분류하면 스캐너(Scanner)와 스텦퍼(Stepper0로 분류할 수 있다. 이는 촬영하는 방식이 연속적인 스캐닝 방식인지 아니면 단계별로 하는 스텝 바이 스텝 방식인지 노광 방법에 따른 분류이다.
사진기의 성능에서 렌즈의 성능, 연사능력, 해상도 등등 여러 가지 요소가 있겠지만 스캐너와 스텝퍼는 연사능력에 따른 분류라 하겠다. 특히 웨이퍼 스테이지 위에 웨이퍼가 놓여지게 되고 웨이퍼 스테이지가 움직이면서 촬영을 한다. 예를 들어 레이저가 렌즈와 마스크를 투과한 후 웨이퍼에 상을 맺어 패턴을 만들 때 웨이퍼 1장에는 수 백번을 촬영하게 된다.

그런데 이 오차가 겨우 1~2nm 정도로 콘트롤해야 하고, 수 백 번을 촬영하는데 약 20여 초에 불과하다. 이는 음속으로 나는 제트기 2대가 1~2cm 간격으로 충돌없이 나란히 수십, 수백 km를 비행하는 것과 같은 정도이다.


작 찍은 사진(Expose) 잘 현상해야(Develop) 훌륭한 작품

현상(Develop)공정에 앞서 먼저 도포(Coating) 공정은 웨이퍼에 감광제(PR:Photo Resist)를 분사하여 얇은 감광막을 만드는 공정이다. 이때 사용되는 감광제는 빛에 반응하여, 일반 사진의 인화지의 역할을 하고, 또 후속 공정인 식각(Etch)공정에서 식각 가스에 대한 저항막의 역할을 동시에 수행하는 전재재료용 화학재료이다.

사진을 찍은 후 현상 및 인화를 하는 사진관 암실에서는 빛을 차단하게 되어 있다. 그리고 빛의 영향과 간섭을 최소로 하기 위하여 빨간색 물을 켜 놓는다. 그래서 반도체 라인으 Photo 공정과 Etch공정은 노란색 조명을 사용한다. 원래는 빨간색 조명이 가장 좋으나 빨간색 조명아래 사람이 오랫동안 있으면 정서와 심리에 안 좋은 영향을 미치기에 차선책으로 노란 조명을 사용한다. 그래서 반도체 라인에서 노란 조명이 설치되어 있는 곳은 Photo 또는 Etch 두 공정 중 하나이다.

노광(Expose) 공정을 거쳐서, 현상(Develop) 공정을 진행하게 되는데, 이는 노광 공정이 완료된 웨이퍼에 현상액(Developer)를 분사시켜, 감광제에 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분을 화학 작용에 의해 제거하고 최종적인 회로의 모양을 형성하는 공정이다.  이러한 작업이 이루어지는 장비를 트랙시스템(Track System)이라고 지칭하고 있다.

반도체의 핵심 = Lithography

보통으 신문지상에 나오는 반도체의 디자인 룰을 이야기하는 것은 모두 포토공정에서 얼마만큼의 미세한 선폭(CD:Critical Dimension)을 패터닝(Patterning)할 수 있느냐로 귀결될 수 있다. 이런 노광 기술 개발은 실질적인 반도체 공정개발 측면에서 미세회로 구현을 가능하게 하였다. 즉, 포토공정 기술의 발전으로부터 반도체 종합 공정 및 제품 개발이 시작되었다고 해도 과언이 아니다.

반도체 회사가 잘되기 위해서는 기술력과 생산성이 우수해야 한다. 이 두가지를 충족시키지 못하면 낙오되고 도태되기 때문이다. 특히 포토 공정이 회로 선폭을 좌우하는 중요한 역할을 하고 있다. 그래서 포토공정의 기술이야 말로 반도체 공정의 핵심이라 할 수 있을 만큼 화려하고 가장 중요한 공정이라고 할 수 있다.

특히 포토공정이 잘되기 위해서는 포토공정에 일하는 엔지니어뿐만 아니라 마스크 개발, 설계, 소자 등 밀접한 관련이 있는 부서와 한마음이 되어야 한다. 그래야 반도체 제조공정의 스텝(Step)수는 줄어드는 대신 보다 세밀한 회로 선폭의 쨍한 사진을 얻을 수 있고 공정엔지니어들이 만드는 사진 찍는 노하우인 레시피(Recipe)를 잘 만들고, 장비기술 엔지니어가 카메라와 렌즈인 스캐너(Scanner)와 스테퍼(Stepper) 장비 그리고 트랙시스템(Track System)을 효과적으로 유지관리 및 이용할 수 있기 때문이다.

결국 얼마나 미세한 선폭을 웨이퍼 위에 푷ㄴ해 내는가에 따라서 반도체 회로의 특성이 좌우되게 되고 Good Memory가 될지 Bad Memory가 될지 경정되는 것이다.

[반도체 제조 공정] 박막

반도체 제품의 성능은 보다 좋아져야 하는 반면에 회로의 선폭은 점점 좁아지고 있다. 그래서 보다 나은 제품을 구현하는데 어려움이 많다.

어린 시절 누구나 한번쯤 해본 비누방울 놀이도 일종의 박막이라고 보면 되고, 욕조 물위의 비눗물도 박막의 일정이다.
가장 쉽게 이해하기 위해서는 양파의 껍질을 벗겨보면 이 또한 박막인 것을 알 수 있다. 이처럼 박막은 내부의 어떤 내요물을 감싸고 있다. 그리고 달리 표현해 코팅용지(Laminating Film)에 비유해 본다면, 더 오랜 시간 동안 사용할 수 있도록 원본을 구겨지지 않고 빳빳하게 보호하기 위함이다.

마찬가지로 반도체에도 회로를 보호하고 회로와 회로를 구분 짓게 하기 위한 막이 있다. 그 어떤 다른 막보다 굉장히 얇기에 박막(Thin Film)이라고 부른다

반도체 회로의 도로공사 Thin Film

표면을 뒤더고 있거나 경계면을 이루고 있는 것을 막이라고 한다. 반도체에서 박막은 이보다 역할이 더 많다.
크게 구분 지어서 이야기 해보면 도전체의 역할과 절연체의 역할을 한다. 도전체는 말 그대로 전기를 흘러가게 해주는 역할을 하고, 절연체는 전기를 흘러가게 하지 않게 하는 역할을 한다.

즉, 도체와 부도체를 적절히 쌓아 올려서 전기가 통하는 곳과 전기가 통하지 않는 길을 만들어 주고 원하는 동작을 하도록 만들어 준 것이 반도체다. 여기에서 도전체와 절연체를 만들어 주는 것을 Thin Film에서 만들어 준다.
즉, 전선의 단면을 보면 전기를 흘러가게 해주는 전선의 역할과 감전 또는 누전이 되지 않게 하기 위한 피복을 이해하면 된다. 이 두 가지가 적절히 조화가 될 때 온전한 전선이 된다. 중요한 것은 전기를 흘러가게 하는 역할과 전기를 흘러가지 않게 하는 역할 모두 잘해야 한다. 

그래서 Thin Film은 2가지로 분류해서 이해하는 것이 편리하다. 첫 번째는 전기를 잘 흘러가게 해주는 도체(Conductor)를 만들어 주는 금속배선(Metallization)이며, 두 번째는 전기를 흘러가지 않게 하는 역할의 절연체(Nonconductor)를만들어 주어 전기회로와 전기회로를 분리해주는 공정(Dielectric)이다.

Thin Film - Metal : 길을 만들어 소통을 원할하게

전기신호가 잘 흘러야지만 회로의 동작이 제대로 된다. 전기신호를 교통신호라고 생각한다면 마을과 마을, 지역과 지역을 이어주는 길이 없으면 소통을 할 수 없게 된다. 따라서 길을 잘 만들어야 소통이 원활해지고 물류가 오가며 경제가 살아나게 된다. 마을에는 주택도 있고 아파트도 있고 빌딩도 있듯이 반도체의 셀(Cell)은 저항(R), 캐패시터(C), 트랜지스터(Tr)등 기본 구성 단위인 소자가 있다. 이 기본 구성단위간의 원활한 소통을 위한 공정이 메탈공정인 것이다.

즉, 사람과 물류가 오가기가 용이하도록 길을 만드는 것과 같은 이치이다. 길의 종류에도 인도, 차도, 지하도, 철도, 국도, 고속도로가 있듯이 메탈라인도 그 용도와 형태에 따라 Metal1, Metal2 ... 등등으로 명명하고 있다. 그리고 엘리베이터나 에스켈레이터처럼 종축으로 연결된 길이 있고 고속도로와 같은 일반도로처럼 횡축으로 연결된 길이 있듯이 반도체에서도 종과 횡으로 연결된 길이 있다.

이렇게 많은 길을 통해 전기신호가 흘러가고 회로에서 워드라인(Word Line), 비트라인(Bit Line)을 통하여 0과1의 신호를 전달하게 된다. 길의 종류에도 여러 종류가 있듯 메탈공정도 여러 종류의 공정이 있다.

메탈공정은 크게 PVD(physical Vapor Deposition:물리증착법), CVD(Chemical Vapor Deposition:화학증착법), EP(Electro Plating : 전기도금법)로 분류할 수 있다.

PVD 공정은 타겟(Target)이라는 99.99% 이상의 고순도로 이루어진 금속덩어리를 높은 에너지를 갖는 입자에 충돌시켜 타겟 표면의 입자들이 나와 웨이퍼에 증착시키는 기술이다. 마치 눈이 내려와 온 세상을 하얗게 덮는 원리와 같다.
PVD 공정은 순도가 높다는 장점과 가격이 저렴한 장점이 있다. 그러나 단점인 오버행(Overhang)이 커서 갭필(Gap Fill)특성이 안 좋은 단점이 있다. (산과 골짜기에 눈이 쌓일 때 나무나 바위 등에는 눈이 잘 쌓이나 골짜기나 구덩이에는 눈이 잘 쌓이지 않는 원리) 구석구석 모든 부분에 균일하게 도포가 되어야 하나 그렇지 못한 단점으로 인하여 회로 특성이 원하는 조건만큼 구현되기가 힘이 든다.

반면에 CVD 공정은 박막을 입히고자 하는 재료를 얻기 위해 화학용품(Chemical)을 이용하여 박막을 증착하는 공정이다. 마치 분무기로 물을 뿌리듯 웨이퍼에 화학용품을 뿌려 증착(Deposition)시키는 과정이다.
PVD에 비해서 CVD는 박막의 균일성이 높고 대면적 적용도우월하고, 미세한 패턴을 형성하기도 쉽기 때문에 CVD 공정이 반도체 부분에서는 많이 사용되고 있다.

그리고 마지막 한가지인 EP공정은 전해질 용액에 웨이퍼를 담구어서 필름을 만들어주는 기술이다.
도금 처리하는 원리를 반도체 공정에 적용한 것이다. EP공정은 갭필(Gap Fill)특성이 우수하나 구리(Cu)공정에 대한 규제로 인해 아직 연구소에서만 이용하고 있다. 앞으로 더 미세화된 회로 성능이 우수한 제품을 만들기위해서는 반드시 필요한 공정이다.

전기를 보다 효과적으로 전달하기 위해

위에서 언급한 메탈 공정은 회로에 따라서 PVD, CVD, EP 공정 등을 선별적으로 사용한다.
전기를 잘 통하는 성질을 나타내는 도전율은 은(Ag) > 구리(Cu) > 금 (Au) > 알루미늄(Al) 등등의 순서다.
금과 은은 재료가 비싸서 사용하지 않고 있고 구리는 후속공정인 Etch 에서 식각의 어려움이 있고 그리고 환경규제상의 문제가 있어 현재 사용상의 어려움이 있다. 매질의 특성이 딱딱해서 분리 배출이 어려운 단점이 있다.

그래서 현재는 알루미늄(Al)과 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 또는 화합물을 주로 이용하고 있다. 하지만 회로 선폭이 좁아지고 미세화가 되어가고 있는 추세에서 기존의 매질로는 한계가 있어 새로운 매질인 구리를 사용할 수 밖에 없다.
결론적으로 메탈공정은 보다 많은 양의 전기를 보다 미세한 회로 선폭에 원활히 소통되도록 하는 것이 메탈 공정의 숙명이자 사명인 것이다.


Thin Film - Dielectric : 상행선 하행선 구분을 명확하게

메탈공정이 소통이 원활하도록 길을 만들어주는 역할의 공정이라면 층간 절연막인 다이일렉트릭(Dielectric)은 전기가 흐르지 않는 물질로 금속배선(Metal Line)과 금속 배선 간의 물리적, 전기적 절연 시켜 구분 지어주는 역할을 해준다.

마치 차도, 인도, 상행성, 하행선의, 고가도로, 차도, 지하도 구분을명확하게 구분지어야 사고가 나지 않게 하는 것과 같은 이치이다. 반도체에서 이용하는 절연막의 종류로는 실리콘산화막(SiO2), 실리콘질화막(Si3N4), 실리콘산질화막(SiON)등이 있으며 매질의 물리화학적 특성에 따라 선택적으로 사용되고 있다.

절연막 생성공정은 크게 두 가지로 PE-CVD와 Spin-Coating 으로 나누어 진다.
PE(Plasma Enhanced)- CVD는 챔버 내에 플라즈마를 형성시켜 반응을 원활히 하고, 증착을 돕는 박막형성 방법으로 가스와 플라즈마를 이용해 웨이퍼에 필름을 만드는 건식방법이다. 그리고 Spin Coating은 웨이퍼를 회전시켜 그 위에 용매를 흘려 균일하게 도포해주는 습식방법이다.