2025년 03월 07일 출간 | ISBN : 1198292962 | 184쪽

저자 : 강찬형 저자 강찬형은 1954년 경기도 파주시 적성면 무건리에서 태어났다. 1966년 적남국민학교(현 웅담초등학교)를 졸업한 후 공부를 위하여 서울로, 그리고 미국 보스턴으로 갔다. 1972년 한 성고등학교를 졸업하고, 서울대학교 공과대학, KAIST에서 공부했고, KIST에서 일하다가 유학하여 미국 MIT에서 전자재료 박사학위(1988)를 받고 미국 실리콘밸리 ZyMOS, 대우그룹 반도체 사업 부문, 대우 에스티반도체설계(주), KIST 나노소재기술개발사업단에서 일했으며, 2004년부터 한국산업기술대학교(현재 한국공학대학교)에서 가르쳤다. 2020년부터 명예교수로 있으며 대학원생을 대상으로 강의하였다. 학문과 과학기술의 숲길을 숨 가쁘게 뛰어오다가, 포레스트 검프처럼 평범한 이웃, 젊은이들과 지성의 열매를 나누고 대화하기 위해 이 책을 저술하였다.

들어가면서 제1부 반도체 산업 1. 초기의 반도체 2. 진공관 3. Bell Lab 4. Fairchildren 5. 실리콘밸리 6. INTEL 7. SEMATECH 8. 일본의 득세와 몰락 9. 대한민국의 출현 10. 중국의 오판 제2부 반도체 기술 11. n형, p형 반도체 12. 물과 전기 13. 집적 회로, 무어의 법칙 14. 도핑과 임플란트 15. 사진 공정, Photolithography 16. 식각(Etching) 기술 17. 플라스마(Plasma) 기술 18. 새 부리와 트렌치 19. 배선 기술 20. 조립 기술 끝내면서

“흔히들 오늘날의 반도체 산업은 1947년 미국의 AT&T Bell Lab에서의 고체 트랜지스터(Solid-State Transistor) 발명으로부터 시작되었다고 보고 있다. 그 후 1950년대의 게르마늄(Ge) 바이폴라(Bipolar) 소자, 실리콘(Si) MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) 소자와 집적 회로(Integrated Circuit; IC)의 발명을 거쳐 1970년대 이후의 메모리(Memory) 반도체, 마이크로프로세서(Microprocessor) 소자에 이어 최근의 GPU(Graphic Processor Unit) 카드 개발에 이르기까지 눈부신 발전을 거듭하면서 반도체는 우리의 생활을 가히 혁명적으로 변화시켜 왔다. 혹자는 이 변화를 반도체 혁명(Semiconductor Revolution)이라고 부르기도 하는데, 증기기관의 발명으로 에너지 활용 방법에 큰 변화를 가져와서 인류문명을 한 차원 높인 18세기의 산업혁명(Industrial Revolution)에 견주기도 한다.” -‘들어가면서’ 중에서

“재료의 전도(conduction) 현상을 설명하기 위하여 전하(電荷, charge)의 개념을 도입하면 편하다. 전하 운반자(charge carrier)라고 불리는 전기를 짐처럼 지고 다니는 입자를 생각한다. 전자(電子)가 대표적인 음전하 운반자이고 양전하 운반자를 정공(正孔, hole)이라고 부른다. 전자를 잃어버리거나 외부에서 전자를 얻은 원자의 덩어리를 이온(ion)이라고 부르는데 양전하 운반자도 있고 음전하 운반자도 있다. 일상생활에서도 캐리어란 말을 쓰거나 듣고 있다. 여행 갈 때 짐을 쑤셔 넣는 바퀴 달린 여행용 가방을 캐리어라고 하고 항공모함(航空母艦)이 영어로 aircraft carrier이다. 항공모함은 날개 달린 전투기 백여 대와 수만 명의 병력을 싣고 바다 위를 떠다니는 움직이는 비행장으로서 국력이 있어야 운용할 수 있는 전투 무기이다. 이 분야에서 미국이 단연 우위를 보인다. 미 해군은 모든 선박에 함급 분류 기호를 붙이는데, 항공모함에는 CV라는 기호가 사용된다. CV가 Cruiser Voler의 두문자(頭文字)라는 설도 있으나 필자는 Carrier Vehicle의 약자가 적절하다고 생각한다. 예를 들어 CV-67은 항공모함 ‘존 F. 케네디 호’의 식별 부호이고, CVN-80은 새로 나온 핵 추진 항공모함 ‘엔터프라이즈호’의 분류 기호이다.” -본문 중에서

“1947년 동부의 벨 전화 연구소(Bell Telephone Laboratories)에서 처음으로 진공관 대용으로 개발된 증폭기는 게르마늄 재료를 이용하여 제작한 점 접촉 트랜지스터(point-contact transistor)였다. 이 트랜지스터의 작동 원리가 처음에는 전계효과(electric field effect)인 줄로 알았으나 반도체의 표면 효과라고 밝혀졌다. 그 뒤 쇼클리는 접합 트랜지스터(junction transistor) 원리를 이론적으로 완성하였다. 이 반도체 소자는 당시의 진공관 작동 원리를 유추하여 n-p 접합과 p-n 접합 접하여 있는 n-p-n 접합 트랜지스터 구조였다. 이런 구조의 소자를 제작하기 위해서는 게르마늄 재료의 정제, 게르마늄 단결정의 성장, 게르마늄 재료에 통제된 불순물 주입이 주요한 작업이었다. 당시에 이미 전하의 원활한 이동을 위해서 불순물이 별로 없는 순수한 게르마늄 재료의 준비와 다결정이 아닌 단결정의 제작이 필수라는 사실이 확립되어 있었다. 천만(10의 8승) 개의 게르마늄 원자에 두 개의 안티몬(Sb) 원자를 도핑하면 n형 반도체 지역을 얻을 수 있고, 여기에 4개의 갈륨(Ga) 원자를 도핑하면 p형 반도체 지역을 얻을 수 있고, 갈륨 원자의 도핑을 중단하면 다시 n 형 지역을 형성할 수 있어, 전체적으로 n-p-n 구조를 만들 수 있었다. 이러한 구조의 접합 트랜지스터를 제작한 벨 전화 연구소(Bell Telephone Laboratories)의 제조 부문인 웨스턴 일렉트릭(Western Electric)은 큰돈을 벌 수 있었다. 이를 성장 접합 단결정 기술(grown junction single-crystal technique)이라고 부른다. 이러한 기술 개발의 중심에 벨 전화 연구소의 틸(Gordon K. Teal, 1907~2003)이 있었다.” -본문 중에서

“반도체 기술의 역사상 많은 사람의 노력이 들어갔지만, 제일 크게 노력한 사람을 한 사람 들라면 필자는 서슴없이 미국의 노이스(Robert Norton Noyce, 1927~1990)를 꼽고 싶다. 그를 감히 반도체 기술과 산업의 아버지라고 말해도 손색이 없다. 그는 박사학위를 반도체 물리로 MIT에서 받았고 쇼클리 반도체 연구소(Shockley Semiconductor Laboratory)에 합류했고 젊은 나이인 1957년에 페어차일드 반도체 회사(Fairchild Semiconductor Corporation)를 8명과 공동 창업했고, 첫 집적 회로(monolithic integrated circuit, microchip)의 아이디어를 내고 직접 제작하였다. 그 후 10여 년 뒤인 1968년에 인텔(INTEL Corporation)을 공동 창업하여 개인용 컴퓨터(personal computer; PC) 혁명에 불을 붙였다. 그는 살아있을 때 ‘실리콘밸리의 시장(Mayor of Silicon Valley)’이라는 별명을 얻었고, 오늘날의 실리콘밸리가 있게 한 장본인이다. 그는 애국심도 대단하여 미국의 반도체 제조 기술이 일본에 뒤떨어지고 있다는 지적에 과감히 1978년 미국 반도체 산업 연합회(Semiconductor Industry Association; SIA) 회장이 되어 텍사스주 오스틴(Austin, Texas)에 세마테크(SEMATECH)라는 민관 합동 회사를 주도적으로 세워 활동하다가 불시에 심장마비로 사망하였다.” -본문 중에서

“자연계 연구자에게는 물체의 단면 구조를 보는 게 필요하다. 반도체 소자의 개발 과정에서 아무리 축소하더라도 배율이 좀 다를 뿐 기본 구조는 변하지 않는다. 주어진 작은 공간 내에 단위 소자를 몇 개를 어떤 구조로 집어넣을 수 있는지 머리로 파악하는 능력이 우리나라 연구자들에게 출중하다. 단위 소자들을 이차원이 아닌 삼차원으로 배열하는 기술을 우리나라 연구자들이 개발하여 특허로 등록하였다는 유명한 이야기가 있다. 이를 구현하는 공정 기술도 우리나라 기술자가 월등하다. 제조된 반도체 칩의 단면을 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)으로 확대하여 관찰하는데, 우리 연구자들은 이 과정을 머리로 훤히 꿰뚫고 있다. 오늘날에는 FIB(Focused Ion Beam) 장비로 잘못된 구조의 반도체 칩을 수정하는 과정에 활용하는데, 우리 연구자들은 머리에 이 과정이 일대일(一對一)로 제대로 파악되고 있다. 이런 기술(skill)이 의술에도 그대로 적용되어 우리나라 의사들의 실력이 세계적으로 일류이고 세계적인 명의가 탄생하고 있다. 우리 몸을 진단하는 의사나 임플란트를 이식하는 치과 의사는 SEM 등의 영상의학과 자료를 근간으로 신체의 구조와 병리적으로 문제가 되는 장기를 머리로 정확하게 파악하고 시술하니까 세계적으로 이름이 나게 된다.” -본문 중에서

“원자들이 차곡차곡 빽빽하게 채워져 있는 고체에도 어떻게 보면 느슨하고 넓게 뚫어져 있는 방향이 있다. 이런 고체에 제3의 원소가 이온 임플란트로 외부에서 주어진 에너지에 의하여 강제로 들어가게 되면, 그 방향으로 이온들이 들어가려는 경향이 있다. 이를 이온 채널링(ion channelling)이라고 한다. 이를 설명할 때마다 필자는 인천 상륙작전이 생각난다. 우리가 기억하는 사진은 맥아더(Douglas MacArthur, 1880~1964) 장군과 그 참모들이 물 위를 걸어 상륙하는 장면이다. 그러나 그 전에 수많은 함정을 타고 온 병사들이 인천 월미도 해변에 상륙하여 아마도 갯골을 따라 적군의 총탄에 응사하며 침투하여 상륙작전을 감행한 후 안전하다는 보고를 받은 후에 수뇌부가 상륙하였을 것이다. 갯골을 따라 낮은 포복으로 이동하는 병사들의 모습이 이온 채널링 현상과 유사하다고 생각한다. 이온 임플란트 후 열처리 과정인 아닐링(annealing) 공정까지 마치고 나서 불순물이 침투한 깊이인 접합 깊이(junction depth)를 불순물 원소별로 사전(事前)에 공정연구자들이 연구하여 최적의 임플란트 조건 등 공정 조건을 결정하고 그대로 실행한다. 마치 인천 상륙작전의 계획이 제2차 세계대전에서 노르망디 상륙작전의 경험에 의한 것이라는 말이 있듯이.” -본문 중에서

“이렇게 반도체 산업의 생태계가 바뀌니까 하나의 새로운 팹을 건설하고 운영하는 데에 큰 부담이 생겼다. 미국의 큰 회사들이 팹 없이 반도체 사업을 영위하기 시작하였다. 이런 회사를 팹리스 회사(Fabless Company)라고 부른다. 이러한 반도체 업계의 변화를 감지하고 움직인 회사가 대만의 TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)이다. 50여 년 전 당시 미국의 한 종합반도체회사에서 기술을 총괄하던 TSMC의 창업자는 대만으로 돌아와서 파운드리(Foundry) 전문회사를 설립하였다. 원래 foundry는 ‘주조’라는 금속 분야의 제조 용어이다. 기계나 생활용품 제작자가 제품 디자인과 기술 사양만 제공하면 금속 제조업자가 알아서 제품을 제조하여 납품한다. 이같이 첨단의 반도체 집적 회로의 제조도 제품 설계 엔지니어가 공장의 소자 엔지니어와 기술 회의를 통하여 공정 기술을 이해하고 적절하게 마스크를 제작하여 제공하면 원하는 집적 회로 제품을 얻을 수 있다는 뜻으로 반도체 제조 기술이 별거 아니라는 의미로 foundry라는 말을 썼다. 반도체 칩 위탁 제조라는 의미인데 우리말로는 그냥 파운드리라고 부른다. 새로 반도체 집적 회로 제품을 기획하는 회사는 자금이 없으니까 팹리스 회사로 시작하고, 기존에 팹을 가지고 있던 종합반도체회사도 새로운 세대의 집적 회로를 개발하고 생산하기 위해서는 많은 자금이 소요되어 어쩔 수 없이 팹리스 회사가 되어 갔다. 실리콘밸리 초창기에 설립되고 CPU(Computer Processing Unit) 칩의 개발과 생산 및 판매로 인텔과 경쟁하던 AMD(Advanced Micro Devices)의 창업자이자 CEO였던 제리 샌더스(W. Jeremiah Sanders Ⅲ, 1936~ )는 AMD가 fabless 회사가 되기를 선언하고 가지고 있던 집적 회로 제조시설 매각에 중동의 갑부를 끌어들이기 위해 언론에 ‘진짜 사나이는 팹을 가지고 있다(Real men have fabs)’라는 말을 한 적이 있다. 결국 중동의 갑부는 그 시설들을 인수하여 Global Foundries라는 회사를 설립하고 새로운 공정 기술을 개발하고 수주 영업을 벌였으나 TSMC나 삼성전자 등 아시아 지역의 다른 파운드리 회사와의 경쟁에서 밀리고 말았다. 샌더스의 이런 모순된 언행에 대하여 뒤에 AMD의 CEO가 된 리사 수(Lisa Su, 1969~ )가 여성임을 빗대어 후세의 호사가들은 ‘진짜 여성은 팹이 필요하지 않다(Real women don’t need fabs!)’라는 말을 했다고 한다.” - ‘마치면서’ 중에서.