지난 호 무선조종 엠버에 이어 이번 호에 소개할 반이의 장난감은 따라와! 폴리입니다. 브룸스타운 구조대의 리더 폴리는 언제나 용감하고 빠르기 때문에, 반이가 가장 좋아하는 캐릭터랍니다. 시리즈 주인공인 만큼 장난감으로도 가장 많은 종류가 판매되고 있습니다.


▲ 따라와! 폴리

사진출처 : http://goo.gl/mPnVst


따라와! 폴리는 로보카 폴리 본체와 경광봉으로 구성되어 있습니다. 폴리 머리 쪽에는 버튼이 있어서 이것을 누르면 로보카 폴리 주제가가 흘러나오면서 아래 영상처럼 폴리가 전후좌우로 신나게 춤을 춥니다. 경광봉으로는 두 가지 동작을 명령할 수 있는데요, 경광봉을 흔들면 폴리가 ‘삐요삐요~!’ 사이렌을 울리면서 악당을 추격하는 것처럼 앞으로 전속력으로 달립니다. 그리고 경광봉 중앙의 노란색 버튼을 누르고 있으면 일명 ‘따라와’ 기능이 발동하는데요, 폴리가 제자리에서 몇 차례 이쪽저쪽으로 회전하다가 곧 경광봉 쪽으로 따라오기 시작합니다.


▲ 따라와! 폴리 동작

사진출처 : http://goo.gl/CeAIiL


따라와! 폴리 언박싱 및 작동 모습

영상출처 : https://youtu.be/usAoBn1U7BY


그렇다면 폴리는 어떤 원리로 경광봉을 따라오는 것일까요? 아래 사진은 경광봉 내부기판 모습입니다. 오른쪽에는 건전지를 꽂는 부분이 있고, 중간 부분에는 희끄무레한 LED 3개가 보입니다. 노란색 스위치를 누르면 그 LED들에서 빨간빛이 나옵니다. 그런데 가만히 보니 왼쪽 끝 부분에 LED가 하나 더 보입니다. 하지만 노란색 스위치를 눌러도 이 LED에서는 빛이 나지 않습니다. 어떻게 된 것일까요?


▲ 따라와! 폴리 경광봉


이 LED에서는 우리가 볼 수 있다는 뜻을 가진 가시광선(Visibile light)이 아닌 적외선(IR : Infrared)이 나오므로 IRED(Infrared emitting diode)라고 합니다. 적외선은 우리 눈에 보이지 않습니다. 가시광선이 프리즘에 통과된 햇빛의 색깔, 즉 우리가 흔히 말하는 빨주노초파남보의 무지개색이라고 한다면, 적외선은 빨간색 아래 범위의 파장을 가진 광선입니다. 그래서 붉을 적(赤), 바깥 외(外), 줄 선(線)을 써서 적외선이라고 합니다. 비록 우리 눈에는 보이지 않지만 아래 영상과 같이 스마트폰 등의 카메라를 사용하면 적외선이 발광하는 것을 확인할 수 있습니다. 영상 속에서 일반 LED는 강한 붉은빛을 내뿜지만, IRED에서 작은 불빛이 반짝이는 것이 보입니다.


IRED 발광

영상출처 : https://youtu.be/Guu4GkRSwBk


한편, 이렇게 발광한 적외선은 어떻게 될까요? 아래 사진은 따라와! 폴리 본체 내부 모습입니다. 폴리의 앞부분을 자세히 살펴보니 이곳에도 LED처럼 보이는 것이 있네요. 경광봉에 있던 IRED가 적외선을 방출하는 ‘발광 다이오드’라면, 이것은 방출된 적외선을 받아들이는 ‘수광 다이오드’입니다.


▲ 따라와! 폴리 본체 내부


경광봉 버튼을 누르는 동안 발광 다이오드에서는, 경광봉을 따라오라는 명령이 포함된 고유한 주파수의 (약 37[㎑] : 이 주파수가 외부의 적외선이나 조명의 영향을 거의 받지 않고 해당 명령을 전송할 수 있다고 합니다) 적외선이 나오고, 수광 다이오드는 이를 받아들여서 폴리 본체 내부의 기판 회로로 전달합니다. 회로에서는 받아들인 신호에서 ‘따라오라는 명령’이 들어 있는 것을 읽어내고, 경광봉 쪽으로 폴리가 움직이도록 모터를 돌려주는 명령을 내려주게 되는 것이지요. 경광봉의 위치는 두 개의 수광 다이오드가 각각 받은 신호에서 멀고 가까운 것을 인식하고 보정해서 알려주게 되어 있습니다.


그러고 보니 이러한 동작은 우리가 생활하면서 많이 접해 본 것 같네요. 바로 TV, 에어컨 등의 리모컨을 작동할 때로군요! 대부분 리모컨도 따라와! 폴리와 같이 IRED 방식으로 작동합니다. 또한, 지금처럼 스마트폰이 보급되기 이전의 휴대전화에서는 적외선 통신 포트가 있었는데요, 두 대의 휴대전화를 나란히 놓아 포트를 마주 보게 하고 파일을 주고받았던 적도 있었지요.


한편, 최근의 스마트폰에서는 아래 사진처럼 리모컨 앱을 설치하고 별도의 리모컨 동글을 부착하면 스마트폰을 리모컨으로 사용할 수 있습니다. 이 리모컨 동글에도 IRED가 들어 있어 적외선을 쏠 수 있기에 가능한 기능입니다.


▲ 스마트폰 리모컨 동글

사진출처 : http://goo.gl/kXLukW



연재를 처음 시작할 때 “엄마! 아빠!”를 부르는 것이 고작이었던 반이가 열 달이 지난 지금은 노래도 하고 피아노도 치고 레슬링으로 아빠를 넘어뜨린 후 “빅토리!”를 외칠 정도로 훌쩍 자랐습니다. 엊그제에는 예쁜 동생도 생겼답니다. 올 한 해 각 가정의 반이들을 키우느라 고생 많으신 반이아빠, 반이엄마, 그리고 졸필이나마 [반이아빠의 장난감 속 반도체]를 읽어주신 독자 여러분 가정에 2016년 행복과 사랑이 넘치길 기원합니다.



감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장


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CVD (Chemical Vapor Deposition)



(지난 호에서 이어집니다)

박막을 형성하는 다른 방법은 화학반응이 수반되는 것으로 화학기상증착(化學氣狀蒸着) 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition)라고 부릅니다. 웨이퍼 위에 공급되는 휘발성 전구체(precursor)가 웨이퍼 위에서 분해(전구체를 분해하는 방법은 대표적으로 열을 이용하는 것과 플라스마를 이용하는 것이 있습니다)된 후 화학반응을 통해 원하는 박막이 형성되는 원리입니다. 화학반응에 따른 부산물은 휘발성으로 펌프에 의해 배기되어 제거됩니다.

PVD가 주로 금속 박막을 형성하는 데 사용한다면 CVD는 PVD로 형성하기 어려운 유전체(誘電體) 박막을 형성하는 데 사용됩니다. CVD는 반도체 박막 공정에서 많이 사용되는 공정으로써 화학반응을 유도하는 방법에 따라, 작동 압력에 따라, 플라스마 생성 방법에 따라(모든 CVD가 플라스마를 이용하는 것은 아니고, 일부 플라스마를 이용하는 CVD가 있습니다), 기타 방법에 따라 그 종류도 무척 많습니다. 역시 이렇게 설명을 하면 좀 어렵지요? 예를 들어 봅시다.

이왕이면 좀 비싼 것을 만들어볼까요? 다이아몬드는 어떤가요? 지난 3월호에서 슈퍼맨이 석탄으로부터 다이아몬드를 만드는 것을 소개했는데, 반도체 공정을 배운 우리는 CVD 방법으로 한 번 만들어보겠습니다. 원리는 간단합니다. 탄소 원자가 결정(結晶) 형태로 기판(基板) 위에서 자라도록 하면 됩니다. 탄소원자가 포함된 분자가스(메탄가스)를 주로 사용하는데 이 분자가스를 플라스마에 의해 원자나 이온 형태로 만들어주면 기판 위에서 다이아몬드 결정체로 자라게 됩니다. 물론가스 공급량과 압력 및 온도 등, 복잡한 공정조건을 만족시켜 줘야 우수한 성질의 다이아몬드가 형성되겠지요. 이렇게 형성된 다이아몬드는 보석류로 사용되는 것이 아니고, 다이아몬드의 독특한 특성(우수한 열전도 특성 및 단단한 특성 등)을 필요로 하는 산업계에서 주로 사용하고 있답니다.


▲ CVD로 다이아몬드 박막 만들기


위의 PVD에서 step coverage라는 것을 설명했는데, 일반적으로 CVD 방법을 이용하면 PVD보다 우수한 step coverage를 얻습니다. 그 때문에 좁고 깊은 우물 형태나 울퉁불퉁한 형태 위에 균일한 두께로 막을 입히기 위해서는 PVD보다 CVD를 선호하여 사용합니다.


ECD (ElectroChemical Deposition)



사람들은 금에 환호하지요, 매우 귀하기 때문일 것입니다. 누구나 갖고 싶어 하지만, 누구나 가질 수 없기에 귀한 것이겠지요. 아래 사진의 금 거북이 갖고 싶지 않나요? 하지만 너무 비쌀 것 같습니다. 좀 저렴하게 장만해 볼까요? 도금을 이용하면 됩니다. 도금(鍍金)이란 어떤 물체의 표면 상태를 본 재료의 성질보다 더 유용하게 하려고 다른 물질을 해당 물체의 표면에 얇게 입히는 것을 말합니다(위키백과 참고).

그럼 어떤 원리에 의해 도금이 이루어지는 걸까요? 금속 이온이 포함된 용액에 어떤 물체를 담급니다. 그런 후에 그 물체의 표면에 전자를 공급해 주면 금속이온이 중성의 금속으로 물체의 표면에 막 형태로 석출(析出)되는 것입니다. 물체의 표면에 전자를 어떻게 공급해 주느냐에 따라서 전해도금과 무전해도금으로 나뉩니다. 반도체 공정에서는 일반적으로 전해도금을 사용하며 일부에서 무전해도금을 사용하기도 한답니다. 최근의 미세한 구리 배선은 주로 전해도금(ElectroChemical Deposition, ECD)에 의해 형성됩니다.


▲ 서울무형문화재 사진

사진출처 : http://bit.ly/1NIvSj4


반도체 기술이 발전하면서 점점 많은 부품이 한 칩에 고밀도로 집적(集積)되고, 구리 배선의 공정도 무척 미세해졌습니다. 구리 배선은 ECD에 의해서 형성된다고 앞서 설명했지만, 포토 공정에 의해서 패턴이 형성되어야 합니다. 포토 공정은 마스크(또는 레티클)라고 하는 이미 원하는 패턴을 형성해 놓은 것에 빛을 조사해서 그림자가 지도록 하는 것이 핵심 원리입니다. 그런데 그림자가 그려지는 바닥이 평평하지 않고 울퉁불퉁하면 그림자의 모양에 왜곡이 생기겠지요.

미세한 그림자를 형성해주기 위해서는 아주 평평한 바닥을 만들어주는 것이 매우 중요합니다. 반도체 공정에서는 이러한 공정을 평탄화 공정이라고 부르며 주로 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 이용합니다. 우리 말로 번역하면, 화학적 기계 연마라고 하면 될까요? 아무튼, 말뜻을 보면 갈아낸다는 뜻이 들어있는 것 같고, 화학적인 무엇인가가 가미된 것 같은 느낌이 듭니다. 표면이 단일 물질이 아니고 두 개 이상의 다른 물질로 이루어진 경우에 기계적 연마만 하게 되면 각 물질이 연마되는 정도가 달라서 평탄한 표면을 기대하기 어려워집니다. 이 경우에 적당한 화학물질을 가미해서 성질을 변화시켜서 연마 정도가 비슷해지도록 해주면 될 것 같습니다. 아래 사진을 보면 CMP를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 배선 차이를 알 수 있습니다. 왼쪽의 경우는 미세한 패턴을 형성하기 어렵겠지요?


사진출처 : Specialty abrasives For Chemical Planarization, 2005~2010


이제 Fab의 주요공정들을 거의 모두 다룬 듯합니다. 이렇게 해서 MOSFET 및 구리 배선과 마지막 알루미늄 패드까지 완료된 웨이퍼는 그 자체로 사용할 수는 없고 외부로부터 전원을 공급받고 신호를 주고받을 수 있도록, 또한 외부 환경으로부터 안전하게 보호하기 위해 패키징 해야 합니다. 앰코가 가장 잘하는 영역이므로 간단하게 설명하고 마치도록 하겠습니다.

최근에는 Fab 공정만으로는 칩이 최적의 성능을 낼 수가 없어서 패키징 기술에 반도체 제품의 최종 성능이 좌우되는 상황입니다. 고객이 원하는 성능을 낼 수 있도록 패키징 각각의 공정에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다만, 이 글의 목적은 반도체에 대한 기본적인 이해를 위한 것이므로 깊이 들어가지는 않겠습니다.


가장 먼저, 웨이퍼 상에 있는 각각의 칩을 분리해야겠지요. 우리는 이 공정을 다이싱 또는 쏘잉이라고 부릅니다. 이렇게 분리된 개개의 칩은 적당한 기판 위에 올려지고 칩과 기판 사이에 전기적 연결을 하고, 와이어 본딩과 플립칩 본딩이 주로 사용됩니다. 칩과 본딩을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 몰딩을 시행하기도 합니다. 때에 따라서는 보드에 최종 장착할 수 있도록 하려고 솔더볼을 형성하기도 합니다. 이제 반도체 제품이 완성되었습니다. 원하는 곳에 이 제품을 실장하면 됩니다.



이렇게 해서 1년간의 반도체 이야기 여정을 마치려고 합니다. 이제 여러분은 반도체가 발명되어서 발전되어 온 역사를 이해하게 되었고, 반도체가 무엇인지와 어떤 성질을 가졌는지에 대해 공부하였으며 최종적으로 어떻게 제조가 되는지에 대해서 전체적으로 알게 되었습니다. 물론 깊은 지식의 수준까지 다루지는 않았지만, 우리가 다루고 있는 반도체 제품에 대해 이해하기에는 부족함이 없을 것이라고 생각합니다.

필자는 1년 동안 원고를 준비하면서 우리가 다루지 않는 영역을 주로 다루고 우리가 잘 이해하고 있는 패키징 영역은 십여 줄로 간단하게 설명하고 마무리하였는데, 독자 여러분이 경험하지 못한 영역에 대한 폭넓은 이해를 위함이었습니다. 여러분 고생이 많았습니다. 원고를 시작하면서 어떻게 이야기를 끌고 갈지에 대해 막막했던 기억이 납니다만, 벌써 1년의 세월이 훌쩍 지나버리고 마지막 호를 대하고 있습니다.

반도체의 원리는 양자역학이라는 어려운 학문으로 설명되는 것이라서 어떻게 쉽게 설명을 할까 난감하기도 했고요, 지나고 생각하니 저자는 정말 재미있었습니다. 독자 여러분, 고생하셨습니다. 하나의 반도체 제품이 탄생하는데 이렇게 수많은 사람의 노력이 있었고 여러분이 그 한 영역에서 일하고 있다는 자부심을 가지시기를 희망합니다. 한 해가 저물어 갑니다. 되돌아보면 잘했던 것보다 잘하지 못했던 것이 더 많은 것 같은데요, 사실은 잘했던 것은 망각하고 잘하지 못했던 것이 기억에 더 남기 때문일 것입니다. 자신을 더 사랑하고 더 소중히 여겼으면 좋겠습니다.



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  1. 이경준 2016.02.13 22:13 신고 Address Modify/Delete Reply

    백종식 연구원님
    연구원님의 글을 보고 반도체 공부를 한지 오래 된 취업준비생으로서 반도체를 다시 한번 공부 할 수 있는 용기를 얻게 되었습니다. 이해하기 쉽게 하나 하나 자세히 설명해주셔서 감사드립니다. 마지막까지 좋은 말씀 해주셨네요. 제 자신을 더 사랑하고 소중히 여기겠습니다. 그리고 훗날 반도체 업계에 종사하게 된다면 꼭 한번 뵙고 싶습니다.
    정말 잘 읽었습니다.
    이경준 올림.

  2. 백종식 2016.11.01 17:04 신고 Address Modify/Delete Reply

    도움이 되셨다니 다행입니다, 어려운 내용을 쉽게 설명하려고 노력했습니다만 정성적인 설명이 갖는 한계를 극복하기는 어려웠습니다.
    취업을 준비하신다니 좋은 결실 있으시기를 바랍니다.
    더 궁금하신 것이 있으면 메모 남겨주시면 성심껏 답변 드리겠습니다.


MOSFET 트랜지스터의 소스, 게이트, 그리고 드레인 영역이 만들어졌습니다. 이제 각각의 트랜지스터 배선과 인터커넥션을 하도록 하겠습니다.


▲ 반도체 공정 flow

사진출처 : http://goo.gl/34yAgQ


초기에 알루미늄으로 배선과 인터커넥션을 하다가 칩의 집적도와 기능이 향상되면서 구리로 배선과 인터커넥션을 바꾸었습니다. 또한, 근접한 배선들 사이의 상호간섭을 줄이기 위해 유전상수가 낮은 유전재료를 사용하게 되었습니다. 이들 배선 및 유전층은 박막(薄膜, thin film) 형태로 제조되며, 성막(成幕, deposition) 공정과 평탄화(平坦化, CMP) 공정이 주요 공정으로 사용되고 있습니다.

박막은 여러 가지 방법으로 제조할 수 있습니다. 그중에서 반도체 공정에 많이 쓰이는 PVD(Pysical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), ECD(ElectroChemical Deposition) 등에 대해서 살펴봅시다.


PVD (Pysical Vapor Deposition)



PVD는 물리기상증착(物理氣狀蒸着)이라고도 불리는데요, 증기형태의 물질을 웨이퍼 위에 응결시켜서 원하는 박막을 형성하는 것을 말하며 진공증착(眞空蒸着)이라는 말도 쓰입니다. 진공이라는 말이 사용된 이유는, 박막이 형성되는 챔버의 분위기가 일반 대기압(大氣壓) 상태가 아닌 진공상태에 있기 때문입니다. 사전적인 표현을 쓰면 아무래도 이해하는 데 어려움이 있지요? 웨이퍼 위에 어떤 물질을 얇게 입히고 싶은데, 그 물질을 기체상태로 만들어 웨이퍼 위에 뿌려 얇은 막을 입히는 것을 말합니다.

그 물질을 기체 상태로 만드는 방법이 몇 가지 있는데, 그중 높은 온도로 끓여 기체상태를 만드는 evaporative deposition 방법과 플라스마를 이용해서 기체 상태를 만드는 sputter depsotion 방법을 소개하도록 하겠습니다.


Evaporative deposition은 소스재료를 끓이기 위해 저항가열(抵抗加熱)을 이용하기도 하고 전자(電子)빔을 이용하기도 합니다. 녹는 온도가 너무 높아 저항가열을 이용하기 어려운 경우에 전자빔을 이용하는데, 어느 것을 이용하든 기본 원리는 도가니 속에서 소스재료를 가열시켜 끓인 후에 그 증기가 웨이퍼 위에 달라붙게 하는 것입니다. 아래 그림에 보면 target이라고 되어 있는 소스재료를 e-beam(전자빔)이 가열하고 있지요? 전자빔은 전류가 흐르는 뜨거운 필라멘트에서 튀어나온 열전자(熱電子)로써 자기장에 의해 로렌츠의 힘을 받아 휘어져 들어와 (지난 호에 이온 임플란테이션에서 이온의 방향이 휘는 것을 설명했지요? 전자는 질량이 작아서 질량이 큰 이온에 비해서 훨씬 많이 휩니다) 도가니 속에 들어있는 소스재료를 때리게 되어있습니다.

증착되는 박막이 오염되지 않은 순수한 물질이 되게 하려고 일반적으로 챔버는 진공상태를 유지합니다. 도가니 속에서 끓고 있는 소스재료는 표면으로 증기를 내뿜는데, 진공상태에서는 소스재료의 증기가 공기와 거의 부딪히지 않고 (얼마나 높은 진공 분위기를 만들었느냐에 따라 다릅니다) 직선으로 날아와 웨이퍼 표면에 부딪힙니다. 운석이 날아와 지구와 부딪혀 공룡을 멸종시켰다고 하는 운석충돌설이 있습니다. 운석이 어떻게 지구의 생물을 멸종시킬 만큼 큰 파괴력을 가진 것일까요?

비밀은 진공에 있습니다. 우리가 경험하는 지구 속에서의 세상은 공기가 가득 차 있으므로 공기 저항 때문에 물체 속도가 제한받지요. 하지만 진공 속에서는 얘기가 다릅니다. 공기 저항이 없기 때문에 행성 간 충돌 등에 의해 부서진 바위 조각들이 수없이 먼 거리를 달려오는 동안 속도는 거의 하나도 줄지 않고 어마어마한 속도로 우주 속을 날고 있는 것입니다. 때로 어느 천체의 중력에 의해 휘면서 속도가 더 붙기도 했을 테고요. 이런 속도가 주는 파괴력은 어마어마합니다.


▲ Evaporative deposition

사진출처 : (좌)http://goo.gl/bUWGnY / (우)http://goo.gl/T4hI6K


진공 속을 달려가는 금속증기도 웨이퍼에 닿기까지 거의 공기와 부딪히지 않으므로 소스 표면에서 튀어나온 방향대로 직선운동을 합니다. 이로 인해 웨이퍼 표면에 계단 모양의 단차가 있는 경우 (포토 레지스트를 패터닝하게 되면 포토레지스트의 두께 때문에 계단 모양의 단차가 생깁니다) 벽면에는 박막이 거의 형성되지 않습니다. 이를 전문적인 용어로 ‘step coverage가 좋지 않다’라고 표현합니다. 웨이퍼가 소스에 대해 회전하는 경우 금속증기의 입사빔은 직선 형태로 날아오지만 웨이퍼가 회전하므로 웨이퍼 입장에서 보면 비스듬하게 빔이 입사되는 것으로 생각할 수 있겠습니다. 증기가 비스듬하게 입사되면 step coverage가 좋아집니다. 웨이퍼 표면의 온도를 높여주면 표면에서의 원자 이동이 활발해져서 step coverage를 더 좋아지게 합니다.


▲ 웨이퍼와 step coverage


하지만 고의로 step coverage가 좋지 않도록 하는 경우가 있습니다. Lift-off라는 공정이 있는데 식각 공정 없이 금속을 패터닝 하는 공정입니다만, 깊이 들어가지는 않겠습니다.


요즘에는 sputter deposition이 evaporative deposition을 대체하는 추세입니다. evaporative deposition에서는 소스재료를 증기화 하는데 열을 사용했다면 sputter deposition에서는 소스재료를 증기화하는데 이온을 사용합니다. 이온은 중성원자에서 전자를 떼어낸 것으로, 질량은 중성원자와 거의 같으며 전하를 갖고 있어서 전기장에 의해 가속이 되어 운동량을 갖습니다. 운동량을 갖는 이온으로 소스재료를 때리면 그 운동량이 소스재료에 전달되어 소스재료의 원자가 튀어 나가게 되는데, 이렇게 튀어 나간 원자가 웨이퍼 표면에 도달하여 증착되는 원리입니다. 물리 용어는 언제 들어도 머리가 아프지요? 쉽게 설명해 보겠습니다.

필자는 어렸을 때 친구들과 구슬치기를 하고 놀았던 기억이 납니다. 모여있는 구슬에 제 구슬을 던져서 튀어 나간 구슬들을 따는 것이지요. 어떤 원리로 구슬들이 튀어 나가는 것일까요? 내가 던진 구슬은 질량과 속도를 갖고 있는데, 질량과 속도를 곱한 값을 ‘운동량’이라고 합니다. 즉, 질량이나 속도가 크면 운동량이 커지는 셈입니다.

운석이 지구와 충돌하면 왜 파괴력이 큰가요? 바로 속도 때문입니다. 속도가 느려도 질량이 크면 역시 파괴력이 큽니다. 질량과 속도가 모두 크면? 아, 상상만 해도 끔찍합니다. 구슬치기에서 커다란 구슬(필자는 왕구슬이라고 불렀습니다)을 던지면 무척 많은 구슬들이 튀어나갔던 기억이 납니다. 질량이 크기 때문에 운동량이 많았던 것입니다. 내가 던진 구슬이 다른 구슬에 맞으면 운동량을 다른 구슬에 전달하여 그 구슬이 운동량을 갖게 되는데 운동량을 갖는다는 말은 속도가 ‘0’이 아니라는 말입니다.

바꾸어 말하면, 그 구슬이 움직이게 된다는 것이지요. Sputter deposition에서 이온은 내가 던진 구슬과 같습니다. 소스재료는 모여 있는 구슬과 같겠지요. 그럼 이온을 어떻게 던질까요? 바로 전기장을 이용한답니다. 이온은 전기장에 의해 가속이 되므로 내가 구슬을 던진 것처럼 이온은 전기장에 의해 던져집니다. 내가 던진 구슬이 운동량을 가진 것처럼 가속되어 움직이는 이온도 운동량을 갖겠지요. (운동량은 질량과 속도의 곱이라고 했습니다) 이렇게 운동량을 갖는 이온은 소스재료에 부딪혀 소스재료에 운동량을 전달하여 소스재료가 운동량을 갖게 됩니다. 즉, 소스재료가 속도를 갖는다는 것이고, 이는 소스재료가 튀어 나간다는 것을 의미합니다. 이렇게 튀어 나간 소스재료는 웨이퍼 표면에 도달하여 달라붙게 됩니다.


▲ 구슬치기와 Sputter deposition

사진출처 : (좌)http://goo.gl/6HoxAp 


Sputter deposition에서 이온을 만드는 원리는 이온 임플란테이션에서 이온을 만드는 원리와 비슷하므로 자세한 설명은 생략하겠습니다. (다음 호에 계속)



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▲ 로보카 폴리 출동!

사진출처 : EBS (http://goo.gl/rMRajt)


지난 호 폴리 도미노에 이어 이번 호에 소개할 반이의 장난감은 무선조종 엠버입니다. 경찰차 폴리가 브룸스타운 구조대의 리더라면, 엠버는 조용한 조력자라고 할 수 있겠네요. 엠버는 상냥하고 똑똑한 구급차입니다. 그래서 브룸스타운에서 다친 자동차들의 상처를 치료해주기도 하고, 어려운 사건이 생겼을 때 곧잘 실마리를 찾아내곤 한답니다. 폴리와 마찬가지로 로봇에서 구급차로, 구급차에서 로봇으로 변신할 수 있습니다. 폭발적인 순발력이나 강력한 힘은 없지만 지구력이 강해 끈기 있게 사건을 해결하려고 노력합니다.


▲ 변신구급차 엠버

사진출처 : EBS (http://goo.gl/BtXqfc)


무선조종 엠버는 위와 같이 구급차 상태의 엠버와 무선조종기가 한 세트로 구성되어 있습니다. 엠버 구급차는 전원 스위치를 켜고 버튼을 누르면, 머리 리본과 보조개에서 반짝반짝 빛도 나고 사이렌 소리도 난답니다. 그리고 조종기의 우측 파란색 직선 화살표를 누르면 엠버 구급차가 직진 운전을 하고, 좌측 빨간색 회전 화살표를 누르면 후진하면서 우측으로 회전을 합니다. 아래 영상에 링크된 주소에서 엠버 구급차의 작동하는 영상을 확인할 수 있습니다.


▲ 무선조종 엠버의 구성

사진출처 : http://goo.gl/B8Tt43


실제 작동 영상, 로보카폴리 무선조종 시리즈

영상출처 : https://goo.gl/W4Znfe


그런데, 잠깐. 위 영상의 중간쯤에 재미있는 장면이 나오네요.


아래와 같이 두 꼬마 친구가 구조대를 조종하는데, ‘서로 다른 채널로 4대 동시 조종 가능!’이라는 자막이 있습니다. 폴리, 엠버, 로이, 헬리, 네 대가 한꺼번에 제각각 움직일 수 있다는 뜻인 것 같습니다. 그렇다면 이렇게 한꺼번에 제각각 움직이는 것이 원래는 불가능하다는 것일까요?


▲ 4대 동시 조종 가능 장면

이미지출처 : https://goo.gl/nfS7Ah


우선, 무선조종 엠버의 원리를 알아볼 필요가 있습니다. 무선조종을 보통 RC(Radio Control)라고 합니다. 무선의 전자기파를 가지고 멀리서 조종한다는 뜻이지요. 무선조종은 크게 조종기, 수신기, 서보(servo mechanism)로 구성됩니다. 조종기는 엠버에게 직진 혹은 후진이라는 명령을 송신하는 역할을 하므로, 송신기, 트랜스미터(Transmitter)라고도 하며, 수신기는 그 명령을 받는 역할을 하므로 리시버(Receiver)라고도 합니다. 서보는 리시버에서 받은 명령이 직접 구동되는 모터를 의미합니다.


원래 전기는 전선이 없으면 흐를 수 없으나 1초 동안에 약 10,000번 이상 전류의 흐름이 바뀌게 되면, 즉 약 10㎑ 이상의 교류가 되면 전선 없이도 공중을 날아갈 수 있으며, 이것을 전파라고 하며 무선조종을 할 수 있는 매개체가 됩니다. 반면, 위에서 예를 든 10㎑라는 주파수를 임의로 조절하여 전파를 발사시킬 수도 있는데, 이렇게 되면 전파의 혼선을 일으키거나 무선통신에 해를 끼칠 수 있으므로 전파관리법으로 전파사용을 규제하고 있습니다.


아래 사진은 무선조종 엠버 조종기 내부 모습입니다. 조종기의 전진-후진 버튼을 누르면 정해진 주파수의 전파를 송신하는데, 이때 주파수는 구성된 회로와 크리스탈에 의해 정해집니다. 크리스탈은 특정 물질에 힘을 가해 변형을 주면 표면에 전압이 발생하고, 반대로 전압을 걸면 소자가 이동하거나 힘이 발생하는 현상인 압전효과 (Piezoelectricity)를 이용할 수 있는 대표적인 물질입니다. 조종기의 크리스탈에는 27.145㎒라고 표기되어 있으며 이것은 조종기와 수신기 사이의 교신 주파수를 의미합니다.


▲ 무선조종 앰버 내부


만약, 두 대의 수신기가 동일한 주파수로 설정되어 있다면 하나의 송신기에서 명령을 내리게 되더라도 수신기는 각각 명령을 받들어 똑같이 움직이게 됩니다. 로보카 폴리 구조대처럼 작고 귀여운 장난감들이라면 그리 큰 문제가 생기지 않겠지만, 예를 들어 RC 헬기 같은 경우 통제를 잃거나 추락하는 과정에서 프로펠러 등에 큰 사고가 발생할 수도 있을 것입니다. 이와 같은 상황을 방지하기 위해, 아래 표에서처럼 국내 승인 무선 조종 주파수와 같이 허가가 완료된 정해진 주파수를 서로 겹치지 않게 사용하도록 법으로 정해져 있습니다. 또한, 여러 사람이 모이는 무선조종 비행장이나 무선조종 대회 등에서는 주파수 게시판을 운영하여 서로의 주파수가 겹치지 않도록 합니다.


▲ 국내 승인 무선 조종 주파수


무선조종 엠버는 위 표에서 27.145㎒ 주파수를 사용하고 있으니, 폴리, 로이, 헬리는 27.095㎒나 27.195㎒ 등 다른 주파수들을 사용하고 있으므로 동시에 4대가 각각 혼선 없이 조종될 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 귀여운 장난감 속에 숨겨진 작은 과학들! 파면 팔수록 알아낼 정보가 참 많지요?


그럼, 또 다음 호에서 만나요!


감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장


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(지난 호에서 이어집니다) 포토리소그래피(photolithography)는 옵티컬 리소크래피(optical lithography) 또는 UV 리소크래피라고도 불리며 반도체 공정에서 박막(薄膜)이나 기판(基板)의 선택된 부분을 패터닝(patterning)하는데 사용합니다. 사전에 원하는 패턴이 형성되어 있는 포토마스크(photomask)에 빛을 쏴서 그 밑에 있는 웨이퍼 위에 그림자가 생기게 하고(이 과정을 노광이라고 부릅니다), 그 그림자 패턴은 빛이 사라지면 사라지므로 웨이퍼 상에 그림자 패턴이 남아있도록 하는 방법이 필요합니다.


웨이퍼 상에 감광성(感光性) 재료(포토레지스트 또는 레지스트라고 부릅니다. 빛을 받은 부분이 잘 녹아나는 성질로 변하는 레지스트를 포지티브 레지스트라고 부르고, 잘 녹아나는 성질을 갖고 있다가 빛을 받으면 잘 녹지 않는 성질로 변하는 레지스트를 네거티브 레지스트라고 부릅니다)를 코팅해주는데, 노광(露光) 공정을 통해 형성된 그림자 패턴에 의해 성질이 변하게 됩니다(포지티브 레지스트를 코팅했다고 가정하면, 그림자 패턴에 의해 빛을 받은 부분의 레지스트는 녹기 쉬운 성질로 변합니다. 이렇게 맺힌 상은 눈에 보이지는 않습니다. 그래서 잠상이라고 부릅니다. 네거티브 레지스트를 코팅한 경우는 반대의 상황이 되겠지요).

 

이미지출처 : (좌)http://goo.gl/fQzcSa (우)http://goo.gl/xpwjfV


노광이 끝난 웨이퍼를 현상액(現像液)에 노출시키면 녹기 쉬운 성질로 변한 레지스트 부분이 녹아나게 되어 그림자 패턴이 웨이퍼 상에 남게 됩니다(눈에 보이지 않던 잠상이 현상에 의해 눈에 보이는 상으로 변하게 되는 셈입니다). 이때 포지티브 레지스트를 코팅한 경우에는 마스크의 패턴과 같은 패턴을 보이게 되고, 네거티브 레지스트를 코팅한 경우에는 마스크의 패턴과 반대인 역상(易象)의 패턴을 보이게 됩니다. 자, 이제 웨이퍼 위에 특정한 패턴을 보인 레지스트가 형성되어 있는 상태입니다. 바꾸어 말하면, 웨이퍼 위의 어떤 부분은 SiO2가 레지스트에 의해 덮여 있고 다른 부분은 노출된 상태로 있습니다.



이제 웨이퍼에 식각액(蝕刻液)을 뿌려줘 볼까요? 레지스트에 의해 덮여 있는 SiO2 부분은 식각액이 닿지 못하므로 아무런 일이 벌어지지 않습니다. 하지만 노출된 SiO2 부분은 식각액에 의해 녹아나게 됩니다. 그런 후에 레지스트를 제거합니다(이 공정을 스트립이라고 부릅니다). 결국, 레지스트에 의해 보호받은 부분의 SiO2만 남아 있고 레지스트에 의해 보호받지 못한 부분의 SiO2는 제거되어 원래 포토마스크 위의 패턴과 같은 SiO2 패턴이 웨이퍼 위에 형성되었습니다.


 


소스와 드레인, 그리고 게이트를 형성하여 MOSFET을 만들어봅시다. p형의 기판을 가정해 봅시다. 트랜지스터를 형성하기 위해 소스와 드레인은 n형으로 만들어줘야 하는데 어떻게 하면 될까요? 예전에는 n형 불순물(dopant)을 가스 형태로 공급하면서 높은 온도로 가열해 불순물이 웨이퍼 속으로 확산(擴散)해 들어가는 방법을 사용했었습니다. 쉽고 값싼 방법이었으나 불순물의 깊이 방향으로의 양을 정밀하게 조절하기 어려운 문제가 있었지요. 소자의 집적도가 높아지면서 불순물 주입의 정확도가 요구되면서 다른 형태의 불순물 주입 방법을 고려하게 되었는데, 불순물을 이온화시켜서 웨이퍼 방향으로 가속시켜 불순물을 주입하는 방법을 사용하게 되었습니다. 이온의 양과 가속에너지를 정밀하게 제어할 수 있으므로 정확한 불순물 주입이 이루어지게 되었습니다.


갑자기 내용이 어려워졌다고요? 걱정 마세요. 차근차근 살펴보도록 하겠습니다. 검은깨 두부를 먹어봤나요? 필자는 검은깨 두부를 어떻게 만드는지 모르니 기대는 마세요. 다만 두부 속에 검은깨를 두부 표면에서 일정 깊이까지 일정량만을 정확하게 넣고 싶습니다. 검은깨 한 줌을 확 뿌리면 깊이 박힌 것부터 표면에 붙어 있는 것까지 다양하게 나타날 것입니다. 깨를 정교한 기계에 넣고 균일한 힘으로 분사하고, 공기의 저항을 막기 위해 진공 속에서 공정을 진행한다면 꽤 균일한 깊이에 검은깨가 분포하게 될 것입니다.


이미지출처 : http://goo.gl/GW9LFu


이온 임플란테이션도 비슷한 원리로 이해하면 됩니다. 이온 임플란테이션은 원하는 이온을 형성하는 이온 소스(ion source), 이온을 고에너지 상태로 가속시키는 가속기(accelerator), 이온이 충돌을 일으키는 타겟 체임버(target chamber)로 구성됩니다. 장비 제조업체마다 다양한 아이디어를 가지고 이온 소스를 제조하지만, 기본적인 원리는 전기적으로 중성인 공정 가스(원하는 불순물)에 전자(보통 열전자 형태로 텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려주면 저항으로 뜨거워진 텅스텐 표면에서 열전자가 튀어나오지요. 이 열전자는 전기장에 의해 가속되면서 에너지를 갖게 됩니다)를 충돌시켜 가스가 전자를 잃어(가속으로 에너지를 얻은 열전자가 공정가스와 충돌하여 가스의 최외각 전자를 떼어냅니다) 양이온이 되도록 하는 것입니다.


이미지출처 : http://goo.gl/OT0QXd


이때, 이온 소스에는 우리가 원하는 이온만 형성되는 것이 아닙니다. 여러 잡다한 이온 중에서 웨이퍼에 최종적으로 주입될 이온만 선택하는 analyzer라는 장치가 있습니다. 전하를 띠고 있는 이온은 전기장에 의해서 가속이 되지만 전기장에 의해서 경로가 휘기도 합니다.


중학교 때 물리학에서 로렌츠의 힘이라는 것을 배웠습니다. 전하가 자기장 속에서 이동(전하의 이동을 전류라고 하지요)할 때 자기장과 전류의 이동 방향에 수직인 방향으로 전하의 이동방향이 휜다는 것입니다. 이동방향이 휘는 정도는 전하량과 질량에 따라서 다릅니다. 아무래도 전하량이 크면 더 많이 휘고, 질량이 크면 덜 휩니다(어렵다고요? 전기장과 자기장은 상호 간섭을 합니다. 그러므로 전하량이 클수록 더 크게 간섭하는 것입니다. 하지만 질량이 큰 것은 움직임이 둔합니다. 즉 간섭하는 양을 줄이는 역할을 하겠지요). 이 원리를 이용한 것이 옛날 브라운관 텔레비전의 전자총이지요.


이미지출처 : http://goo.gl/XwMy3b


아무튼, 로렌츠의 힘으로 모든 이온이 제각각 다른 반경으로 휘게 되는데 작은 구멍을 가진 장애물을 설치해서 잡다한 이온들은 장애물에 걸려 통과되지 못하도록 하고 원하는 이온만이 통과되도록 합니다. 이렇게 웨이퍼에 주입될 이온빔(ion beam)만이 선택받게 됩니다.


이미지출처 : http://goo.gl/OT0QXd


선택받은 이온빔은 높은 전압에 의해 가속되어 웨이퍼로 향하게 되고 최종적으로 타겟 체임버에 놓여 있는 웨이퍼 표면을 때리게 됩니다. 이온은 전하를 띠기 때문에 이온의 흐름은 전류의 흐름으로 모니터링되며, 타겟(웨이퍼)에 입사되는 이온의 양은 시간에 따라 누적된 양이 됩니다. 이 누적된 이온의 양은 이온 전류의 시간에 대한 적분값(컴퓨터가 알아서 계산해 주니 걱정 마세요)으로 불순물의 도스(dose)라고 부릅니다.


이온의 에너지는 가속전압에 따라서 결정되는데, 에너지가 크면 불순물이 웨이퍼의 깊숙한 곳까지 도달하고 에너지가 작으면 웨이퍼의 표면 쪽에 이르겠지요. 이렇게 불순물의 도핑 양과 깊이를 조절한답니다. 강한 에너지의 이온빔이 웨이퍼를 때리면 원치 않는 현상들도 일어납니다. 실리콘 원자들의 규칙적인 배열을 흩어버리거나 심지어는 실리콘 원자를 표면 밖으로 떼어내기도 하는 등 손상을 입히기도 한답니다. 이러한 결점에도 불구하고 불순물 도핑 공정에서 이온 임플란테이션은 주요 공정 중 하나로 자리매김하고 있습니다.


이미지출처 : (좌)http://goo.gl/G7FP9P (우)http://goo.gl/feG3Ce


이온 임플란테이션은 의도치 않게 웨이퍼에 손상을 입힌다고 했지요? 실리콘 원자들이 규칙적으로 배열된 곳에 강한 에너지를 갖고 충돌해 들어온 불순물(不純物, 도펀트)들은 원자들의 사이를 비집고 들어가 존재합니다(불순물 원자가 실리콘 결정 속의 침입형 자리에 존재한다고 부릅니다). 불순물이 반도체의 전기적 특성을 주기 위해서는 실리콘 원자들의 일부를 치환해서 잉여 전자 또는 잉여 정공(전자의 결핍과 같지요)을 생성해야 합니다. 아주 높은 온도를 가해 주면 이렇게 실리콘 원자 사이에 비집고 들어온 불순물들이 원래 있던 실리콘과 자리를 바꾸어(치환) 드디어 잉여 전자 또는 잉여 정공을 형성하여 n형 또는 p형의 전기적 특성을 갖게 됩니다. 이런 과정을 도펀트의 활성화(activation)이라고 부르고 도펀트의 활성화를 위해서 웨이퍼는 1,000도 이상의 열처리를 받게 되며, 이 공정을 RTP(rapid thermal process)라고 부릅니다. 이번 호에서는 MOSFET의 FEOL의 주요 공정을 살펴보았습니다.



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사랑하는 부모님께 


‘어머니, 아버지’란 말보다 ‘엄마, 아빠’란 말이 더 편한 쌍둥이 아들 주홍이, 지홍이입니다. 갑작스러운 꽃에 놀라셨을 모습이 그려집니다. 얼마 전, 주말 예능프로그램 <슈퍼맨이 돌아왔다>에 나온 쌍둥이들의 모습을 보게 되었어요. TV에 나온 쌍둥이들을 돌보는 연예인 부모들을 보면서 저 또한 쌍둥이로 저와 동생을 낳고 기르시며 두 배로 고생하셨을 부모님을 생각하게 되었답니다. 이번 32번째 10월 2일 결혼기념일은 저와 동생이 챙겨드리고 싶었어요. 그러나 할머니의 건강문제로 기념일을 챙기지 못해 아쉬움이 크던 차에, 이번 이벤트를 통해 축하드리게 되어서 저와 지홍이에게는 뜻깊은 시간이 되었답니다. 조금 늦었지만 부모님께 기분 좋은 결혼기념일 선물이 되었으면 좋겠습니다.


2015년 올해는 유달리 다사다난했던 것 같아요. 취업준비생이던 제가 사회인이 되어 앰코인으로의 첫발을 내딛고, 할머니의 입원 등 좋고 나쁜 일에도 우리 가족이 있어서 함께 버틸 수 있었던 것 같아요. 물론 좋은 일들만 있을 거라 생각하지만, 앞으로도 행여 힘든 일이 생겨도 함께 이겨내는 가족이 되어 보아요. 어렸을 적에는 대화도 많이 하고 감정표현에도 적극적이었지만, 점점 무뚝뚝하게 표현하는 아들들이 되었네요. 하지만 마음만은 그렇지 않다는 거 아시지요? 앞으로는 조금 더 표현에 적극적인 아들들이 되겠습니다.


작은 체구에도 우리를 바르게 키워주신 어머니, 강직한 성품에 정직하게 사는 법을 가르쳐주신 아버지께 감사의 인사를 드립니다. 사랑으로 길러주셔서 감사드려요. 

건강하세요! 어머니, 아버지!


2015년 10월 10일

부모님을 사랑하는 쌍둥이 주홍이 지홍이 올림



글 / 연구소 개발2팀 신주홍 사원 


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이번 달에는 회사 근처에 있는 쫀득하고 담백한 족발을 즐길 수 있는 <화양족발>을 소개하려 합니다. 화양족발은 회사 가까이에 위치해서 동료들도 자주 가던 곳인데요, 가게가 넓은 편은 아니지만 깔끔한 족발 맛과 주인의 친절함으로 단골손님들이 많은 듯합니다.



화양족발은 국내산 족발로 매일 삶는다고 하네요. 또한, 맛과 위생, 육즙증발 등을 고려하여 진공포장해 준비해둡니다. 그래서 주문이 들어가면 바로 손질을 해주기에 야들야들하면서 쫄깃한 족발을 즐길 수 있답니다. 여느 때와 같이 왕족발과 마늘족발, 그리고 이 가게에서 안 먹으면 섭섭한 날치알 주먹밥을 주문했습니다. 주문과 동시에 바로 진공포장된 족발을 손질하기 때문에 추가주문을 할 때는 어느 정도 여유를 갖고 주문하면 좋겠지요.





이 가게에서는 족발을 먹을 때 부추무침과 무말랭이가 나옵니다. 족발에 곁들어 먹으면 더욱 맛있게 족발 맛을 즐길 수 있지요. 물론, 족발과 함께 먹는 주먹밥 맛도 일품입니다. 이 때문에 식사를 안 하고 가더라도 배불리 음식을 먹을 수 있습니다. 두 번째로 주문한 마늘족발은 일반 족발에 이 집만의 특유한 달콤한 양념이 더해져, 부드러운 족발을 즐길 수 있습니다. 또한 약한 불에 데워 먹을 수 있어서 계속 따뜻하게 먹을 수 있다는 장점이 있지요.




뭐니뭐니해도 이 가게만의 특별함은 주인의 정성과 친절함이 아닐까 싶습니다. 밑반찬부터 음식 하나하나 그 자리에서 직접 준비해 주니 더 맛있게 족발을 즐길 수 있는 것 같습니다. 퇴근 후 몇몇이 모여 오순도순 저녁을 먹기에도 제격입니다. 정성이 가득한 손맛의 족발을 즐기고 싶다면 화양족발을 추천합니다.


가격 : 왕족발 특대(앞발) 37,000원, 마늘족발 대(앞발) 35,000원, 날치알 주먹밥 2,000원

위치 : 서울 광진구 광나루로12길 19 화양족발

영업 : 17:00~24:00




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  1. 썽망 2015.11.06 13:45 신고 Address Modify/Delete Reply

    동네라서 언제한번 꼭 가봐야겠네요!!!ㅋㅋㅋ쉽게 찾을 수 있을거 같아요