장비가 스스로 판단해 완성한다? 자율주행 자동차처럼, 반도체도

반도체 산업의 체질을 바꾸는 마중물 반도체 산업은 웨이퍼 한 대의 가치가 자동차 한 대만큼 부가가치를 높입니다. 이 때문에 세계 각국의 메모리 집적도 전쟁이 격화되고 있습니다. "현존하는 세계 최고층 빌딩인 두바이 칼리파의 바닥 면적 대비 높이가 1:6이라면, 30nm급 D램은 무려 1:25에 달합니다" 집적도가 높아질수록 반도체 구조는 더 복잡해지고 제조 공정의 기술 난이도도 증가합니다.

반도체가 생산되기까지 300단계 이상의 공정이 필요하며 이 과정에서 100만 개 이상의 IoT 센서를 통해 약 45억 개 정도의 데이터가 수집된다. <사진 = 삼성전자 제공>

융합연구단의 탄생 배경을 설명하는 김종식 박사는 반도체 기술이 워낙 빠른 속도로 발전해 수년 전만 해도 1메가D램 생산에 200300여개의 제조공정과 1000여개의 설비가 동원됐지만 현재는 제조공정이 1000여개에 이르고 설비도 수만대가 투입됐다고 말했다. 생산 공정이 미세화될수록 장비 계측 및 검사의 중요성이 높아지는데요. 장비 가격만 하더라도 전 공정 50억원, 후 공정 20억원, 검사 25억원에 달하여 원가 경쟁력을 위협합니다. 안타깝게도 한국은 외산 장비 의존도가 80~90%에 달합니다. 김정식 박사님의 설명을 계속 듣겠습니다.

시장의 요구가 커질수록 생산 공정은 복잡해집니다. 반도체 품질관리와 생산성 향상을 위해 생산 데이터 기반의 스마트 팩토리 도입이 진행되고 있는데 이 장비들도 해외 기업들이 독점하고 있습니다 글로벌 경쟁력을 갖춘 외산 장비 회사는 장비 운영 과정에서 수집되는 장비 데이터를 분석하여 오류를 제거하고 성능을 개선하여 경쟁력을 더욱 강화합니다. 상대적으로 국내 기업은 기초원천 기술과 연구 역량이 부족한 상황에서 국가 차원의 대응이 시급하다."

반도체 생산업체들이 외국산 장비를 선호하는 이유는 안정성과 재현성이기 때문입니다. 융합연구단은 반도체 플라즈마 장치의 지능화를 통해 국내 소재/부품/장치 기업의 경쟁력을 확보하고 반도체 산업의 체질을 바꾸는 계기가 되는 것을 목표로 합니다.

▼"플라즈마로 반도체 공정을 바꾸다" 자세히 보기▼"운이 좋았어요" 질문은 장황했지만 대답은 간결했다. 2017년 국가핵융합연구소(NFRI) 우수논문…blog.naver.com 장비의 지능화는 융합연구의 꽃, 산학연 반도체 플라스마 전문가들이 모였다.

반도체 집적도가 높아질수록 플라스마를 이용한 가공 공정이 중요하다. <사진출처=Fermilab>

공정상 문제를 인지·판단하여 자동제어하여 반도체 제조장치의 핵심 원천기술을 확보하여 지능형 장치의 국산화와 반도체 산업의 경쟁력 향상을 도모합니다.

플라즈마 융합사업단이 6년간 도전하는 미션이다. 실제 장비에서 측정되는 다양한 데이터를 학습시키면 공정 중 오류가 발생하더라도 엔지니어들은 문제 해결을 위한 계산 과정 없이 장치의 상태와 불량 원인을 밝혀내고 제어할 수 있습니다. 중요한 사실은 기초연구 없이는 중간부터 시작할 수 없다는 점입니다.

김종식 박사는 "장치에서 측정되는 다양한 데이터를 활용해 공정 효율을 높이는 다양한 방안을 제시할 필요가 있다"며 "한국이 반도체 제조 공정기술의 초격차 전략을 유지하면서 현안을 해결하기 위해서는 전통적인 생산 장비와 첨단 기술의 융합을 통한 반도체 장비의 지능화가 필수적이며 이들 장비가 연계된 스마트팩토리로의 전환이 필요하다"고 강조했다.

2018년 삼성전자 반도체 공장에서 반도체 칩이 하나 만들어지는 기간은 25~60일이었습니다 이 과정에서 공정 설비에 설치된 100만 이상의 IoT 센서를 통해 약 45억 개 정도의 데이터가 수집됩니다. 하루에 수집되는 데이터만도 45테라바이트에 달합니다. 이들 데이터를 어떻게 수집, 분석, 활용하느냐가 미래 반도체 산업의 경쟁력과 직결됩니다.

11월 1일 융합연구단의 강력한 출범을 준비하고 있는 플라즈마 기술연구센터 전경.

국가핵융합연구소 플라즈마 기술연구센터는 반도체 플라즈마 물성에 대해 누구보다 잘 알고 있는 전문가 집단이자 플라즈마 물성데이터센터로 활약해 왔습니다. 또한 2017년부터 반도체 공정 기술 제조 공정 기술 교류회 등 반도체·디스플레이 관련 다양한 커뮤니티 활동을 진행하며 산업체가 직면한 현실을 파악하고 그들의 요구에 귀를 기울였습니다. 융합연구단 선정 이전부터 창의융합 연구와 고성능/고신뢰성 플라스마 공정 예측 및 제어 모듈 개발의 선행융합 연구를 통해 지능화 연구의 중요성과 가능성을 확인하였습니다.

그리고 국가핵융합연구소는 반도체 경쟁력 강화를 위해 출연연, 학계, 산업계와 힘을 합쳤습니다. 이번에 발족하는 융합연구단은 국가핵융합연구소 한국과학기술연구원 한국과학기술정보연구원 한국표준과학연구원 등 4개 연구원과 서울대 부산대 충남대 전북대 명지대 가천대 한국항공대 등 7개 대학의 반도체장비산업 관련 연구원 100여 명이 참여한다. 반도체 생산장치의 지능화 기술은 물리, 화학, 기계, 소재, IT, 광학 및 전기전자 등 다양한 기술분야가 연결되는 국가융합연구의 최전선이므로 융합연구단 선정이 갖는 의미가 큽니다.

그동안 반도체라는 큰 틀에서 개별 단위의 연구를 진행해온 주체가 '플라스마 반도체 지능화 장치 개발'이라는 주제로 한자리에 모이기까지 보이지 않는 노력도 필요했습니다. 김정식 박사는 출연자, 대학의 경우 연구자, 교수, 학생들과 지속적으로 만나 공감을 얻을 수 있었지만 산업체의 경우 취지에는 공감하면서도 기술 소유권, 비밀유지 등 현실적인 어려움을 이유로 참여를 주저할 때가 많았다고 회상합니다.

6년간 440억원 예산으로 데이터 분석부터 장비 실증까지 도전

융합연구단은 향후 6년간 440억원의 예산을 기반으로 3차원 구조반도체 공정에서 핵심적인 역할을 수행하게 될 플라스마 공정 장비(에칭, 증착)에서 수집되는 데이터를 바탕으로 머신러닝 알고리즘을 적용하여 상태를 정확하게 진단하고, 변화를 인지, 분석하여 능동적으로 공정을 제어하는 공정 장비 지능화 기술을 개발하여 최종적으로 산업 현장에 투입할 계획입니다.

단계별 목표를 살펴보면 ▲1단계 공정 데이터의 정보화를 위해 플라즈마 특성 및 공정 센싱 데이터 개발, 고신뢰성 장치/공정 해석 데이터베이스 개발 및 센서 신뢰성 평가 모델 공간(테스트베드) 구축 ▲2단계 공정 장비의 지능화를 목표로 플라즈마 장치/공정 해석 기술 개발, 디지털 트윈 및 제어 시스템 개발 ▲마지막 3단계 목표는 통합 시스템 정보 분석 및 운영 기술 등. 국가핵융합연구소는 이중 정보화(데이터베이스 개발), 지능화(시뮬레이션 기술개발), 지능형 장비 실증 및 모델공간(테스트베드) 구축에 중점을 두고 과제를 주관하고 있습니다.

융합연구단은 군산산업단지의 어려움 개선 및 군산 강소특구의 성공적인 안착을 위해 출연연 R&D 인력이 유입되는 융합연구단을 군산에 구축하여 국가 주력산업의 기반이 되는 반도체 장비/부품 클러스터를 구축할 계획입니다. 군산지역에 반도체 장비산업의 허브로 자리매김하고, 지역의 산업혁신과 국토 균형발전을 이루겠다는 포부를 가지고 있습니다

지금까지 반도체 산업은 서울과 수도권을 중심으로 발전해 왔지만 플라즈마라는 특별한 조건을 이용하는 반도체 장비의 특성상 국내 유일의 플라즈마 전문 연구기관인 플라즈마 기술연구센터에 융합연구단이 위치하여 반도체/디스플레이 장비 불모지인 군산 국가산업단지의 기대도 높습니다. 올해 플라스마 기술연구센터는 플라스마 소재 부품 국가연구실(N-Lab)로 지정됐고, 이번에는 융합연구단과 함께 소재, 부품에서 장비로 이어지는 연구개발을 하게 돼 시너지 효과가 예상됩니다. 그뿐만이 아닙니다. 최근 군산은 군산대를 중심으로 자동차 및 에너지기술 강소특구 지역으로 지정돼 더욱 큰 활기를 띨 것으로 기대되고 있습니다

반면 그동안 기업들은 연구개발 단계에서 성능 검증 및 개선을 위한 테스트 공간(테스트베드)이 없어 기술적인 어려움을 겪으면 돌파구를 찾기 어려웠습니다. 융합연구단은 이에 R&D 시범공간(테스트베드)을 구축하여 연구단의 실증장비 및 플라즈마/장치 진단기술, 해석기술, 제어기술을 이용하여 플라즈마 환경에서의 소재/부품/장치의 초기 연구개발 단계를 지원할 방침입니다.

연구를 통해 할 수 없는 일, 어려운 일을 해결하고 사람들을 도우려고 과학자가 되었습니다. "이번 도전이 쉽지는 않지만 융합연구단의 제1 세부책임자이자 산업체에서 가장 필요한 데이터의 중심을 맡고 있는 사람으로서 한국의 반도체 산학연과 함께 플라즈마 장치의 지능화를 통한 국산화를 이끌어 반도체 산업 경쟁력 강화에 기여하고자 합니다."

융합연구단의 제1 세부책임자로 참여하는 김정식 박사는 과학자의 길을 선택한 초심을 되새깁니다. 자율주행자동차처럼 반도체 장비가 스스로 공정을 판단하고 제어할 때까지 앞으로 그들 앞에는 수많은 도전이 기다리고 있습니다. 「반도체 분야의 산학연이 함께 가는 것은 무섭지 않다」라고 말하고 있습니다. 곧이어 한국 반도체 산업의 미래를 밝히는 11월이 시작됩니다. 힘찬 발걸음을 내딛는 융합연구단의 도전을 함께 응원해주십시오.