이석원 기자
현대 생활에서 빠뜨릴 수 없는 PC나 스마트폰을 비롯한 컴퓨터를 내장한 전자제품에는 CPU나 GPU라고 불리는 반도체 칩이 들어간다. 이런 CPU나 GPU 같은 반도체 칩이 어떻게 만들어지는지 99초 만에 설명하는 영상을 소프트웨어 컨설턴트인 로버트 엘더가 공개해 눈길을 끈다.
이에 따르면 먼저 돌은 주워서 가루를 부순다. 그러자 순도 98% 이산화규소가 생긴다. 이를 순도 99.9% 이산화규소로 정제한다. 또 이산화규소를 99.9999999% 다결정 실리콘으로 정제한다. 화학식은 SiO 2+2C→Si+2CO다.
이 다결정 실리콘을 고온에서 용융시키며 온도는 1698K 그러니까 1,425℃다. 당연하지만 주방 쿡탑에선 낼 수 없는 온도다. 녹은 다결정 실리콘에 단결정 실리콘을 담그고 식히면서 천천히 꺼내면 거대한 실리콘 단결정이 된다. 작은 단결정을 용융 상태 실리콘에 담그고 초고순도 단결정을 성장시켜 끌어올리는 방법은 크조크랄스키 도핑법(Czochralski doping process)이라고 부른다.
이 실리콘 단결정을 얇게 슬라이스하고 경면이 될 때까지 닦은 게 바로 실리콘 웨이퍼다. 이 실리콘 웨이퍼에 붕소를 가하면 P형 반도체, 인을 가하면 N형 반도체가 되어 트랜지스터 재료가 된다.
실리콘 웨이퍼에 산화막을 형성하고 그 위에 감광제를 바른다. 이어 영상에선 회로 패턴이 인쇄된 석영제 마스크 패턴을 통해 자외선을 가해 회로 패턴을 감광제 박막에 베이킹하고 현상액으로 웨이퍼를 씻는다. 또 부식제를 이용해 에칭을 실시한다. 마스크 패턴으로 자외선이 닿는 부분 감광제는 현상액으로 제어되어 있다. 다시 말해 회로 부분만 산화막이 노출되어 있는 상태에서 여기에 부식제를 이용하면 회로 부분만 산화제막도 제거되어 실리콘 웨이퍼가 노출된다.
순수 웨이퍼를 씻으면 실리콘 웨이퍼 표면에 회로 패턴이 보이게 된다. 여기에서 실리콘을 전기 특성을 가진 반도체가 될 때까지 다양한 처리와 연마를 여러 번 실시한다. 이것으로 실리콘 웨이퍼가 완성된다. 칩 회로가 실리콘 웨이퍼 위에 여러 장 인쇄된다. 이 실리콘 웨이퍼를 잘게 자르고 하나씩 분리한다. 각각 양품과 불량품 선별을 하는데 웨이퍼 1장에서 얻을 수 있는 양품 비율을 수율이라고 말한다.
제조한 칩은 수십 마이크로미터에서 수백 마이크로미터 얇은 전선을 이용해 전기적으로 기판과 전극에 연결된다. PC나 서버에서 사용되는 첨단 CPU는 세밀하고 작은 크기로 설계, 제조한다.
물론 영상 속에서 작업은 실제로 만드는 건 아니다. 개인이 나노미터 단위로 실리콘에서 반도체 칩을 만드는 건 불가능하다. 물론 마이크로미터 단위라면 개인도 도전은 가능하다.
정용환 기자
