앞선 내용에서 반도체 공장 건설의 어려움에 대해 간략히 설명드렸습니다.
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제가 반도체를 공부할 때 흥미로운 점이 많았기 때문에 조금 더 깊이 파고들어 설명을 드린 이유를 설명하고자 합니다.
기술적 복잡성
반도체 제조가 “매우 복잡한 기술”로 간주되는 이유를 자세히 살펴보겠습니다. 반도체 제조 공정에는 나노미터 범위의 극도의 정밀도와 정확도가 요구되는 일련의 복잡한 단계가 포함됩니다. 다음과 같은 이유로 다른 기술보다 복잡합니다.
– 소형화: 마이크로 프로세서, 메모리 칩과 같은 반도체 장치에는 전기의 흐름을 제어하는 작은 전자 부품인 수백만 또는 수십억 개의 트랜지스터가 포함되어 있습니다. 이러한 작은 구성 요소를 제작하려면 나노미터 범위에서 극도로 정밀하게 작업할 수 있는 특수 도구와 기술이 필요합니다.
– 여러 단계 및 레이어: 반도체 칩을 만드는 프로세스에는 포토리소그래피, 에칭, 도핑 및 화학 기상 증착을 포함하여 많은 단계, 때로는 수백 단계가 포함됩니다. 오류는 최종 제품의 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 각 단계를 매우 정밀하게 수행해야 합니다. 또한 반도체 소자는 여러 층으로 구성되어 있고 각 층마다 고유한 제조 공정이 필요하기 때문에 복잡성이 증가할 수밖에 없다.
– 포토리소그래피: 포토리소그래피는 반도체 제조에서 가장 중요한 단계 중 하나입니다. 포토리소그래피는 빛을 사용하여 패턴을 포토마스크에서 웨이퍼의 감광성 재료(포토레지스트라고 함)로 전송합니다. 이 프로세스에는 수천만 달러가 드는 포토리소그래피 스캐너라고 하는 고도로 전문화된 기계가 필요합니다. 포토리소그래피는 오정렬 또는 오염이 최종 제품의 결함으로 이어질 수 있으므로 극도의 정밀도와 제어가 필요합니다.
반도체 제조의 복잡성에 대한 좋은 예는 평면 트랜지스터에서 FinFET 기술로의 전환입니다. FinFET 기술은 평면 트랜지스터의 한계를 더 작은 규모로 극복하여 소형화 및 성능 향상을 가능하게 하는 트랜지스터 설계 유형입니다. FinFET 기술로 전환하려면 제조 공정, 재료 및 장비에 상당한 변화가 필요하며 반도체 제조에 필요한 복잡성과 적응성의 한 예입니다.
전문 장비
반도체 제조 전용 장비는 주로 프로세스의 고유한 요구 사항, 요구되는 정밀도 수준 및 급속한 기술 발전으로 인해 다른 많은 산업에서 사용되는 장비보다 더 전문화되고 고가입니다.
– 극도의 정밀도: 반도체 제조는 부품이 종종 나노미터 범위에서 제조되기 때문에 매우 높은 정밀도가 필요합니다. 칩이 제대로 작동하려면 기계가 정확한 수준의 정확도로 작동할 수 있어야 하며, 이러한 정밀도에 대한 요구는 제조업체가 고급 기술을 개발하고 특수하고 값비싼 기계를 사용하도록 자연스럽게 강요합니다.
– 최첨단 기술: 반도체 산업에서 새로운 개발과 혁신이 매우 빠르게 나타나고 있으며 장치 제조업체는 경쟁력을 유지하기 위해 연구 개발에 막대한 투자를 함으로써 이러한 개발을 따라잡습니다. 혁신에 대한 이러한 지속적인 투자는 필연적으로 반도체 제조 장비 비용으로 이어집니다.
맞춤화: 반도체 제조 장비는 특정 공장 또는 프로세스의 특정 요구 사항에 맞게 조정되므로 고객의 고유한 요구 사항에 맞춰야 하므로 기계의 복잡성과 비용이 추가됩니다.
-제한된 시장 규모: 반도체 제조 장비 시장은 소수의 Big Player만이 진출하고 있어 다른 산업에 비해 상대적으로 작습니다. 이러한 제한된 시장 규모는 장비 제조업체가 다른 산업과 동일한 규모의 경제를 갖지 못하기 때문에 특수 장비의 비용을 불가피하게 증가시킵니다.
환경 제어
반도체 제조설비는 다른 제조설비에 비해 환경관리 측면에서 까다로운데, 반도체 제조 공정은 웨이퍼 오염을 방지하고 고품질의 안정적인 칩 생산을 위해 매우 깨끗한 환경을 필요로 하기 때문입니다.
-입자 제어: 반도체 장치는 나노미터 수준의 특징을 가진 매우 작은 규모로 제작됩니다. 먼지와 같은 미세한 입자도 결함을 유발하고 제품 성능을 저하시킬 수 있기 때문입니다. 팹은 0.1 마이크론만큼 작은 입자를 제거할 수 있는 고효율 미립자 공기(HEPA) 필터 및 초저미립자 공기(ULPA) 필터를 포함한 고급 공기 여과 시스템을 사용하여 웨이퍼 오염을 방지하기 위해 엄격한 미립자 제어를 유지합니다.
– 온도 및 습도 제어: 정확한 온도 및 습도 제어는 제조 및 증착 공정에 사용되는 화학 반응에 영향을 줄 수 있으므로 반도체 제조에서 매우 중요합니다. 전용 난방, 환기 및 공조(HAVC) 시스템을 사용하여 시설 전체에서 일정한 온도 및 습도 수준을 유지해야 합니다.
– 정전기 방전(ESD)에 대한 보호: 정전기 방전은 민감한 반도체 부품을 손상시키고 심각한 제품 결함을 일으킬 수 있습니다. 이러한 위험을 완화하기 위해 접지에 대한 엄격한 프로토콜이 적용되고 바닥은 전도성이 있으며 의류와 같은 특수 재료가 사용됩니다.
-진동 제어: 반도체 제조 장비, 특히 포토리소그래피 스캐너는 안정적이고 진동이 없는 환경이 필요합니다. 진동은 제조 공정에서 오정렬 및 오류를 유발할 수 있기 때문입니다. 이것은 또한 특수 바닥 구조로 진동을 방지하기 위한 것입니다.