인간에 대한 예의 (항금리 문학 창간호)

고온 전기로는 반도체 공정에서 기본이 되는 장비입니다. 고온 전기로 안에 웨이퍼를 넣고 온도를 올린 뒤 반응 기체들을 흘리면 에피택시, 열 산화, 증착, 확산, 열처리, 그리고 합금 공정 등, 다양한 공정들을 행할 수 있습니다. 특히 고온에서 이루어지는 공정이 에피택시와 열 산화입니다. 에피택시는 웨이퍼 위에 단결정층을 성장하는 공정입니다. 이 과정에서 웨이퍼 표면은 시드 결정(seed crystal)의 역할을 하며, 성장되는 결정은 웨이퍼와 같은 결정 구조와 방향성을 가지게 되죠. 실리콘 반도체 공정에서는 보통 전도 형태(type)나 전도도가 크게 다른 영역을 제공하기 위하여 사용됩니다. 이러한 에피택시 공정은 실리콘 웨이퍼 제조 업체로부터 수행되어 제공되는 경우도 많습니다. 산화 공정을 거치는 이유는..

반도체 공정에서 마스크(mask)는 사진 식각 공정에서 사용하며, 석영이나 유리와 같은 투명한 기판 위에 레이 아웃된 패턴들이 그려져 있습니다. 즉, 포토 공정마다 해당되는 마스크를 감광제가 코팅된 웨이퍼 위에 정렬하고 노광 후 현상, 식각을 하여 웨이퍼 위의 박막이나 구조들을 패터닝 하죠. 이는 감광 물질이 도포된 기판에 패턴을 묘사할 수 있게 해준다는 점에서 사진의 필름과 유사한 역할을 한다고 볼 수 있습니다. 간단한 소자인 경우에는 몇 장 정도의 마스크로 만들어지지만, 회로가 복잡해질수록 마스크의 수도 증가하여 많게는 수십 장의 마스크들이 집적회로의 제작에 사용되고 있습니다. 마스크를 제조하기 위해서는 먼저, 투명한 석영 기판에 크롬과 같은 금속 박막을 코팅하고 감광제를 도포한 뒤, 레이저 빔이나 ..

설계와 공정 개발이 완료가 되면 반도체 제조로 들어섭니다. 반도체 핵심 공정은 순서대로 웨이퍼 제조 공정, 산화 공정, 포토 공정(photolithography), 식각 공정, 증착 공정, 도핑(확산, 이온 주입) 공정, 금속 배선 공정, 웨이퍼 자동 선별(Electrical Die Sorting, EDS) 공정, 그리고 패키징 공정입니다. 여기에서 산화 공정부터 웨이퍼 자동 선별 공정까지를 전공정(frond-end process)이라 합니다. 즉, 웨이퍼 위에서 먼저 행하여지는 공정이죠. 물론, 공정은 한쪽 방향으로만 진행되는 일방향 공정이 아니라, 설계하고, 마스크를 만들고, 공정을 진행하고, 그리고 공정 후 테스트를 통하여 성능 미흡이나 불량 시 다시 처음으로 돌아가기도 하고, 혹은 공정 과정에서 ..

마치 피자를 만들 때 도우 위에 토핑이 올라가듯이 집적회로는 웨이퍼(wafer)라는 얇은 기판 위에 만들어집니다. 웨이퍼는 반도체 결정을 성장시켜 만든 원형 기둥을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미하죠. 웨이퍼의 종류는 기반 물질에 따라 여러 가지가 있으며, 크게 실리콘 기반의 실리콘 웨이퍼와 비실리콘 웨이퍼로 구분됩니다. 그리고, 집적회로용 반도체 원소로는 실리콘(Si)을 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘(Si) 가장 많이 사용되고 있습니다. 실리콘은 지구상에 풍부하게 존재하고 있어 안정적인 재료 수급이 가능하고, 독성이 없어 환경적으로도 우수하다는 장점 등을 가지기 때문이죠. 실리콘 웨이퍼를 성능이 낮은 순에서 높은 순으로 보면, 연마(polished) 웨이퍼→에피(epi, epitaxial) 웨이..

전기전자 분야에서의 재료는 절연체와 도체, 그리고 반도체로 구분됩니다. 반도체는 절연체보다는 높고 도체보다는 낮은 전기 전도도를 가지며, 도핑을 통하여 전도도를 조절할 수 있죠. 그리고, 열이나 빛, 자기장과 같은 외부로부터의 자극에 민감합니다. 주로 세라믹 계열이나 최근 유기물 반도체도 활발히 등장하고 있습니다. 반도체 물질은 원자들간의 공유 결합으로 이루어지며, 최외각 전자는 작은 에너지로도 전도대로 올라가 자유 전자가 될 수 있습니다. 가전자대와 전도대 간에 금지대가 존재하며, 에너지 밴드갭은 약 2eV 이하이죠. 전기전자 소자로는 실리콘 반도체가 주류를 이루고 있으며, 특수한 목적은 전기전자 소자, 혹은 광전 소자용으로는 화합물 반도체가 이용되고 있습니다. 반도체의 역사는 100년이 훌쩍 넘어갑니..

고분자의 구조적 모델 네 종류에서 선형 고분자는 분자들이 단순히 엉클어짐이나 약한 결합으로 연결된 상태입니다. 폴리에틸렌이나 나일론(nylon) 등을 일례로 들 수 있죠. 가지형 고분자는 곁가지들이 있는 분자들의 연결로, 충진 효율(packing efficiency), 밀도는 가지형 고분자에 비해 떨어집니다. 가교형 고분자는 분자 사슬들이 공유 결합을 통하여 옆 사슬들과 서로 연결되어 있습니다. 주고 고무 등에서 많이 발견이 되죠. 망상형 고분자의 경우, 분자와 분자를 공유 결합으로 연결하는 가교가 더 촘촘하게 3차원적으로 형상된 구조입니다. 선형 고분자 모델은 실과 같이 선으로만 이어져 있으며, 전자레인지의 용기, 카펫, 로프 등을 만들 수 있습니다. 고밀도 폴리에틸렌(High-Density PolyE..

원자 결합에 따른 재료들은 금속, 세라믹, 그리고 고분자로 분류할 수 있습니다. 고분자는 우리와 늘 가까이하는 일상 용품들에서 볼 수 있죠. 식탁 위에 놓인 컵이나 쟁반, 물통 등의 용기들도 고분자이고, 우리의 신체도 고분자들로 이루어져 있습니다. 고분자라는 용어 대신에 플라스틱이 더 익숙하죠. 플라스틱은 고분자를 인위적으로 사용하기 위하여 첨가물을 넣은 것입니다. 첨가물들은 고분자로 만들어지는 제품들이 색을 띠거나 강해지거나 혹은 불에 잘 견디도록 용도에 맞는 기능을 부여해 주죠. 고분자는 영어로 'polymer'로 표현하는데 'poly + mer' 즉 'mer'에 해당하는 화학적 단위들이 다수로 반복적으로 연결되는 분자입니다. 이러한 고분자는 자연에서 얻기도 하고(natural) 혹은 인공적으로 만들..

전기 전도도는 온도에 따라 변합니다. 그리고 전도도는 전하 캐리어의 수와 움직이는 속도(이동도)에 비례합니다. 전류를 흐르게 하는 전하 캐리어가 금속에서는 자유 전자 한가지이지만, 세라믹에서는 전자와 하전된 원자, 즉 이온 두가지이죠. 금속에서는 전도도는 전자의 이동도로 결정됩니다. 온도가 올라가면 원자들의 진동이 더 활발해져서 전자의 충돌과 산란이 더 많이 일어나죠. 따라서 온도가 오르면 이동도는 내려갑니다. 반면에 세라믹과 같은 절연체에서는 전하 캐리어의 수가 전도도에 큰 영향을 줍니다. 따라서 온도가 오르면 열 에너지로 인하여 원자로부터 최외각 전자가 떨어져 나가고, 이로 인해 전하 캐리어인 전자와 이온의 수가 증가합니다. 물론 전기 전도도도 증가하게 되죠. 다만, 이러한 열 에너지에 의한 전하 캐..

비규산염 세라믹 계열에서 산화물 세라믹에 관한 설명입니다. 즉, 금속과 비금속의 결합으로 이루어지는 세라믹에서 비금속으로 산소가 들어가 있죠. 산화물 세라믹들은 전기전자 분야에서 주로 소자나 부품이 올라가는 기판(substrate), 커패시터에 들어가는 유전체(dielectric), 그리고 응력과 전압을 상호 변화하는 압전체(piezoelectric) 그리고 센서용 재료 등으로 활발히 활용되고 있습니다. 그런데, 커패시터와 콘덴서의 차이는 무얼까? 커패시터는 이론적으로 정전용량만을 가지는 이상적인 소자, 콘덴서는 저항과 인덕턴스까지 존재하는 실제 기판에 부착하는 소자라고 하면 될까요? 학술적으로는 커패시터와 콘덴서를 구분하는 경향이 있지만 대부분의 전기 전자공학에서는 콘덴서를 커패시터와 구분하지 않으며 ..

지구에는 철과 산소, 그리고 실리콘이 풍부합니다. 인간이 가용할 수 있는 지각에는 산소와 실리콘이 거의 80퍼센트를 차지하죠. 그리고 산소와 실리콘은 반응도 참 잘합니다. 둘은 이온 결합을 하고 있으며, 이론적으로는 산소 원자 두개와 실리콘 원자 한개가 전하 균형이 맞습니다. 실제로는 산소 원자들 네개의 가운데에 실리콘 원자 한개가 위치하는 사면체(tetrahedron) 혹은 삼각뿔(triangular pyramid) 구조가 안정적이죠. 이러한 삼각뿔 구조가 규산염(silicate) 계열의 기본적인 단위 블럭(building block, 벽돌)이 됩니다. 이는 기하학적 구조로는 안정적이지만, 전하 균형면에서는 {4 x (-2)} + (+4) = -4로 불안정하므로 다른 양이온들, 예를 들면 마그네슘, 나..