컴퓨터나 스마트폰, 자동차 등 우리가 흔히 사용하는 전자기기에 빼놓지 않고 반드시 들어가는 제품은 반도체다. 반도체는 전자기기에서 전기신호를 처리하고, 정보를 저장하고, 계산해 동작하게 하는 연산 및 제어 역할 등을 수행한다. 이런 반도체는 어떻게 만들어질까.

반도체는 전기가 통하는 물질인 도체와 전기가 통하지 않는 물질인 부도체의 중간 성질을 가지고 있는 물질이다. 일반적으로는 전기가 통하지 않지만, 불순물을 첨가하거나 빛이나 열 등 외부 자극이 있을 경우 성질이 바뀌어 전기가 흐르는 특성을 가지고 있다.



반도체 제조 공정은 크게 웨이퍼 위에 회로를 만드는 전공정과 기판 위에 만들어진 회로들을 하나씩 잘라 패키징해 최종 제품으로 만드는 후공정으로 나눌 수 있다.

① 웨이퍼 제조

모래에서 추출한 실리콘을 뜨거운 열로 녹여 고순도 실리콘 용액으로 만든 후 실리콘 기둥인 잉곳(Ingot)을 만든다. 이 잉곳을 얇게 절단해 매끄럽게 연마한 것이 바로 웨이퍼다.



② 산화 공정

불순물로부터 웨이퍼 표면을 보호하기 위해 산소나 수증기를 뿌려 실리콘 산화막(SiO2)을 형성하는 과정이다. 산화막은 보호막 역할을 하는 동시에 배선이 합선되지 않도록 하는 절연막 역할도 한다.

③ 포토 공정

웨이퍼에 구현될 전자회로 설계 후 이를 노광장비를 사용해 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 그려 넣는다. 웨이퍼에 현상액을 뿌려 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로패턴을 형성한다. 일반적인 사진 현상 과정과 같다고 생각하면 된다.

④ 식각 공정

웨이퍼의 표면에 여러 종류의 막을 형성시켜 마스크를 이용해 특정부분을 선택적으로 깎아내며 반도체의 구조를 형성하게 한다.

⑤ 증착 공정

웨이퍼 위에 원하는 분자 또는 원자 단위의 물질을 박막 두께로 입혀 전기적 특성을 갖게 하는 일련의 공정으로 반도체가 전기적 성질을 갖도록 하기 위해 붕소(B), 인(P), 비소(As) 등의 이온을 회로패턴과 연결된 부분에 주입시킨다.

⑥ 금속 배선 공정

웨이퍼 위에 만들어진 회로가 동작하려면 외부에서 전기적 신호가 있어야 하는데 이때 전기가 잘 통하기 위해 회로 패턴에 따라 금속선을 이어주는 공정으로 주로 알루미늄을 사용한다.

⑦ EDS(Electrical Die Sorting) 공정

전기적 특성 검사를 통해 웨이퍼 상태로 있는 각각의 칩들이 원하는 품질 수준에 도달했는지를 체크하고 양품과 불량품을 판별한다.

⑧ 패키징 공정

EDS를 거칠 웨이퍼를 절단기로 잘라 낱개의 칩으로 분리한 후 전기 신호가 통할 수 있도록 연결, 외부 습기나 충격으로부터 회로를 보호한다.

■ LCD? OLED? 어떤 원리로 동작하는 것일까?

코로나19의 장기화로 재택 시간이 증가하면서 넷플릭스, 왓챠 같은 OTT(Over The Top) 서비스를 즐기는 사람이 늘어나고 학교 수업도 화상으로 진행되면서 디스플레이 시장은 빠르게 성장하고 있다.

과거 브라운관과 PDP를 거쳐 지금은 LCD와 OLED가 디스플레이 시장을 주도하고 있다. 이 둘의 차이는 무엇일까.

LCD(Liquid Crystal Display)는 ‘액정’을 핵심 소재로 한 평판 디스플레이다. 하지만 액정의 경우, 스스로 빛을 내지 못하기 때문에 빛을 내는 별도의 광원(백라이트)이 필요하다. 백라이트에서 발생한 빛이 액정을 통과하고, 색을 발현하는 층들을 통과하면서 색깔을 표현하게 된다.

이에 반해 OLED(Organic Light Emitting Diode·유기발광다이오드)의 경우는 별도 광원이 없더라도 태양처럼 스스로 빛을 낼 수 있다. 그렇기 때문에 LCD보다 구조가 간단하고 얇고 응답 속도나 명암비, 시야각, 전력 소모가 낮은 점 등이 장점이다. 그래서 OLED는 슬림한 디자인을 원하는 스마트폰을 중심으로 많이 적용되고 있다.

OLED가 자체 발광이 가능한 이유는 이름에서도 알 수 있듯이 Organic(유기물)이 사용되기 때문이다. 빛의 삼원색인 빨강, 초록, 파랑(RGB)색의 유기물들로 구성된 유기물들이 결합 형태에 따라 정공이라고 불리는 가상의 입자를 지닌다.

평소에는 멀리 떨어져 있던 전자와 정공이 전기 자극을 받아 서로 만나면 빛 에너지가 생기면서 우리 눈에서 인식할 수 있게 되는 것이다.

[도움말=삼성SDI]

[조동석 기자]