흔히 4차 산업혁명의 핵심은 빅데이터, 인공지능(AI), 클라우드 컴퓨팅으로 표현된다. 그런데 빅데이터를 저장하기 위해서는 반도체 메모리가 필요하고, AI를 처리하기 위해서는 그래픽 프로세서(GPU)와 같은 병렬 연산 기능을 가진 프로세서 반도체가 필요하다. 또한 클라우드 컴퓨팅의 핵심 인프라인 데이터 센터에는 반도체가 대규모로 배치돼 있다. 이렇듯 반도체는 모든 정보기술(IT) 제품의 핵심 부품으로 그 적용 분야가 매우 광범위하다.

최근 일본 정부가 반도체 핵심 소재·부품인 포토레지스트, 고순도 불화수소 등의 수출규제로 우리나라 반도체 산업 전반에 대한 경고등이 켜지면서 반도체에 관심이 쏠리고 있다. 반도체는 지난해 우리나라 전체 수출의 20.9%, 국내총생산(GDP)의 7.8%를 차지했다.

그럼 반도체는 무엇으로 이루어지고, 어떻게 만들어지는가. 반도체 내부는 조 단위의 트랜지스터로 이루어져 있고, 이 트랜지스터는 원자 단위로 매우 작다. 그리고 반도체 구조는 3차원(3D) 건축물 형태를 띠며, 실리콘으로 이루어진 반도체 속에는 3차원 구조의 트랜지스터뿐만 아니라 금속 배선과 절연물이 주요 구조물로 돼 있다. 여기서 트랜지스터는 디지털 전류의 전환을 가능케 하는 구조물이라고 할 수 있는데, 트랜지스터 스위치를 금속 배선으로 서로 연결해 그룹을 이루면 덧셈과 곱셈 같은 계산 기능을 수행할 수 있다. 이렇게 해 연산이 모이면 AI가 계산도 할 수 있고, 트랜지스터와 전자를 가두는 축전기를 연결하면 데이터를 저장하는 메모리도 된다.

반도체 표면의 금속과 절연물의 두께는 원자 10개 정도를 쌓는 나노미터(㎚, 10억분의 1m)이다. 주어진 반도체 공간에 수많은 트랜지스터를 쌓기 위해서는 이와 같이 원자를 3차원적으로 건축하는 기술이 필요한데, 그 구조물의 난도는 100층짜리 고층 빌딩을 짓는 것과 같다. 한마디로 반도체 공정은 원자 수준의 박막 균일도를 지니고 있으므로 ‘공학’이라기 보다는 ‘예술’에 가깝다. 나노 크기의 구조물 패턴을 반도체 표면에 만들기 위해서는 빛을 이용한 판화 기술이 사용된다. 이때 빛의 파장은 나노 크기가 돼야 할 뿐만 아니라 판화의 모양을 담은 일종의 필름인 마스크, 광원과 포토레지스트라는 감광물질이 필요하다. 이렇게 포토마스트, 광원, 감광물질은 패턴의 크기와 균일도를 결정해 궁극적으로 반도체의 질과 생산량을 좌우한다. 이 포토마스트, 광원, 감광물질 등을 운용하는 장비 가격은 1000억원을 넘는다. 그래서 반도체 공정은 ‘원자 수준의 3차원 빛의 판화예술 작업’이라고 부르기도 한다.

포토 작업과 3차원 예술작품 공정에는 불순물 주입과정, 유전물질 증착과정, 금속 박막 제조과정, 물질 식각과정이 있다. 이런 과정은 트랜지스터를 만들기 위해 실리콘 기판 위 표면에 불순물을 주입하고, 금속을 입히고, 절연물질을 덮고, 필요 없는 물질을 깎아 내고, 공정 후 남아있는 잔여물을 제거하기 위해서 필요하다. 특히 구조물을 원하는 모양대로 만들 때 반드시 필요한 과정이 구조물 설계에 맞게 물질을 깎아내는 식각 작업이다. 식각 과정은 일종의 예술작품의 ‘조각 작업’과 같다. 판화에서는 칼을 이용하지만 반도체 공정에서는 원자 수준으로 식각을 해야 한다. 건식 식각 공정에서는 기체의 방전을 이용해 가스를 이온화하고, 거기에 전압을 가해 기판을 고속 원자로 충돌시키면서 물리 화학적으로 식각한다. 이때 불화수소(HF) 액체는 물질을 깎아 낼 때 식각용 용액으로 사용하거나 공정 후 남은 불순물을 제거하기 위한 세정제로 사용한다. 당연히 세정제의 순도가 불순물 제거 작업의 완성도를 높이는 데 원자 단위의 세정 작업에는 매우 중요하다.

이처럼 원자 수준의 3차원 예술 작품인 메모리 반도체와 시스템 반도체를 개발하고 국제 경쟁력을 확보하려면 설계·공정·장비 기술 못지않게 그에 필요한 재료 기술도 필수적으로 확보해야 한다. 오늘날 한·중·일 동북아 3국은 일본이 재료·부품을 공급하면, 한국은 중간재나 장비를 중국에 수출하는 형태다. 재료 개발은 하루 아침에 이루어지지 않는 기초 기술이다. 이에 재료를 포함한 기초과학의 중요성을 다시 생각하게 된다.

김정호 카이스트 석좌교수 전기전자공학