컴퓨터 칩은 왜 만들기가 거의 불가능한가

칩 한 개에 수십억 개의 트랜지스터가 나노미터 단위로 들어가는 과정을, 가상의 칩 'Pebble'을 따라가며 설명하는 영상이다. 모래에서 단결정 웨이퍼를 만들고, 극자외선(EUV) 리소그래피로 패턴을 찍고, 증착·식각·도핑·평탄화를 천 단계 이상 반복한다. 마지막으로 오버레이 정렬, 금속 배선, 먼지 관리까지 다루며, 각 공정의 정밀도가 극단적이고 그 오차가 누적되기 때문에 제조가 어렵다는 메시지다.

⏱ 00:02칩 한 개에는 수십억 개의 트랜지스터가 나노미터 단위로 들어 있다. 이를 인쇄하려면 주석 액적에 레이저를 쏘아 극자외선을 만드는 장비가 필요하다. 영상은 가상의 칩 'Pebble'을 따라가며 제조 과정 전체를 설명하겠다고 소개한다.

핵심 질문은 수십억 개의 스위치를 층층이 쌓고 몇 나노미터 안에서 정렬하면서도 쓸 만한 칩을 얼마나 많이 만들 수 있느냐는 것이다.

⏱ 01:03트랜지스터는 소스와 드레인 사이의 실리콘 채널을 게이트 전압으로 열고 닫는 스위치다. 꺼져 있을 때도 미세한 누설 전류가 흐르는데, 이 문제는 나중에 다시 등장한다고 예고된다.

실리콘은 반도체라서 도핑으로 전도 위치를 정밀하게 조절할 수 있다. 트랜지스터를 묶으면 논리 게이트가 되고, 이것이 덧셈기와 연산 장치, 메모리, 제어 회로로 확장되어 프로세서가 된다. 최신 프로세서는 수백억 개 이상의 트랜지스터를 담고, 가장 큰 것은 2천억 개를 넘는다. 한 칩 안에 모두 넣는 집적회로는 연결이 짧아 빠르고 전력도 적게 쓴다.

⏱ 02:57모래의 주성분인 이산화규소에서 탄소로 산소를 떼어내면 약 98~99% 순도의 실리콘을 얻는다. 이를 휘발성 화합물로 바꿔 증류로 정제하면 전자급 실리콘은 99.9999999%, 즉 아홉 개의 9에 이르는 순도를 가진다. 그래도 순도만으로는 부족하고, 원자가 하나의 격자로 정렬된 단결정이어야 한다.

초크랄스키(Czochralski) 방식에서는 종자 결정을 녹은 실리콘에 담가 천천히 회전시키며 끌어올려 단결정 잉곳을 키운다. 잉곳을 얇게 자르고 연마하면 지름 300mm의 웨이퍼가 되며, 한 장에 수백 개의 칩이 들어간다.

⏱ 04:31포토리소그래피는 감광막(포토레지스트)을 입힌 웨이퍼에 마스크(레티클)의 패턴을 빛으로 투영하는 공정이다. 광학계가 패턴을 축소하며, 빛이 닿은 부분의 화학 반응이 바뀌고 현상 과정에서 일부가 씻겨 나가 식각용 마스크가 남는다. 빛은 파장보다 작은 구조를 흐리게 만들기 때문에 해상도에 한계가 있다. 오래 쓰인 193nm 심자외선(DUV)은 렌즈와 웨이퍼 사이에 물을 채우고 패턴을 여러 번 나눠 노광하는 방식으로 미세화를 이어 갔다.

EUV는 파장이 13.5nm로 짧지만 공기와 유리에 흡수되어 진공에서 거울만으로 빛을 전달해야 한다. 광원은 주석 액적을 레이저로 두 번 때려 만든 플라즈마에서 나오며, 초당 최대 5만 번 발사된다. 거울 하나가 약 70%만 반사하므로 여러 번 반사하면 빛이 크게 줄어들어 광원이 매우 밝아야 한다. 장비는 약 150톤에 컨테이너 40개 분량이며, 가장 밀집된 핵심 층에만 쓰이고 나머지는 DUV로 찍는다. 차세대 High-NA EUV는 개구수를 0.33에서 0.55로 키워 더 가는 선을 노린다.

⏱ 08:25한 층은 증착, 감광막 도포, 노광, 현상, 식각, 감광막 제거, 세정, 측정의 순서로 만들어지고 이것이 수없이 반복된다. 증착에는 반응 가스로 막을 키우는 CVD, 원자를 튕겨 붙이는 PVD, 두 화학물질을 번갈아 주입해 원자층 단위로 쌓는 ALD가 쓰인다. 액체 식각은 옆으로도 번지므로 미세한 구조는 플라즈마 식각으로 수직에 가까운 홈을 판다.

도핑은 붕소나 인 같은 이온을 주입해 전도성을 바꾸는데, 충돌로 깨진 결정은 짧은 급속 열처리(어닐링)로 복구한다. 표면이 울퉁불퉁해지면 초점이 흐려지므로 화학기계적 평탄화(CMP)로 다시 평평하게 깎는다. 세정은 가장 자주 반복되는 단계이며, 핵심 치수와 선 가장자리 거칠기도 엄격히 측정한다. EUV는 광자 수가 적어 일부 지점에 빛이 많거나 부족해지는 확률적 결함도 생기는데, 이를 엔지니어는 결함이라 부르고 물리학자는 통계라고 부른다고 영상은 농담한다. 첨단 칩은 천 단계가 넘는 공정을 석 달에서 다섯 달에 걸쳐 거친다.

⏱ 11:12각 층은 이전 층 위에 수 나노미터 안에서 정확히 겹쳐야 하며, 이를 오버레이라고 한다. 스캐너는 노광 전에 웨이퍼의 정렬 마크를 측정해 열과 앞선 공정으로 생긴 미세한 왜곡을 보정한다. 어긋나면 연결선이 엉뚱한 곳에 닿거나 붙어서는 안 될 이웃과 만나게 된다.

트랜지스터 위에는 금속 배선 층이 여러 겹 쌓이고, 층 사이는 절연막과 비아(via)라는 수직 연결 플러그로 이어진다. 아래층은 가장 가늘고 촘촘하며, 위로 갈수록 굵어져 전력과 신호를 멀리 보낸다. 구리는 미세하게 식각하기 어려워 절연막에 홈을 파고 구리를 채운 뒤 연마하는 다마신(damascene) 공정을 쓴다. 배선이 가늘어질수록 저항과 기생 용량이 커져 신호가 느려지고 발열이 늘어나, 고급 칩에서는 트랜지스터보다 배선이 병목이 되기도 한다. 이를 줄이기 위해 전력 배선을 웨이퍼 뒷면으로 옮기는 설계도 등장했다.

⏱ 12:57사람 머리카락은 약 70마이크로미터이고 먼지 한 톨도 수 마이크로미터인데, 칩의 가장 작은 구조는 수십 나노미터 수준이다. 칩 입장에서 먼지는 작은 알갱이가 아니라 바위와 같다. 패턴을 만드는 동안 먼지가 떨어지면 선이 끊기는 단선이나, 떨어져 있어야 할 선끼리 붙는 단락이 생길 수 있다.

모든 입자가 치명적인 것은 아니어서, 중요한 위치에 닿아 불량을 일으키는 결함만 킬러 결함이라 부른다. 그래서 팹은 클린룸으로 지어지며, 천장에서 걸러진 공기가 아래로 흘러 입자를 쓸어낸다. 가장 깨끗한 구역의 공기 1세제곱미터에는 도시 공기보다 수천 배 적은 입자만 남는다. 정작 가장 더러운 존재는 사람이라, 끊임없이 떨어지는 피부 조각을 관리하는 것이 중요하다고 영상은 덧붙인다.