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202010.27

자율주행 자동차처럼, 반도체도 장비가 스스로 판단해 완성한다?

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/plasma/1186

|11월 출범하는 ‘플라즈마 공정장비 지능화 융합연구단’

 

반도체는 4차 산업 시대의 ‘쌀’입니다. 스마트폰, 자율자동차, 로봇 등 첨단산업의 핵심기술이자 우리나라 경제를 뒷받침하는 기간산업인데요. 들녘의 곡식이 농부의 발소리를 들으며 무르익듯 하나의 반도체가 탄생하기까지 약 300단계에 이르는 복잡한 공정을 완수하기 위해 고성능 공정장비와 전문 엔지니어의 역량이 요구됐습니다.

 

복잡한 도로 위 상황을 감지하는 센서기술과 데이터, 그리고 인공지능이 만난 자율주행자동차처럼 반도체 장비도 스스로 공정을 ‘인지’, ‘판단’, ‘제어’하는 꿈같은 미래를 위해 도전장을 내민 이들이 있습니다. 바로 11월 1일 본격 출범하는 ‘플라즈마 공정장비 지능화 융합연구단(이하 융합연구단)’입니다.


국가과학기술연구회(NST)는 국가핵융합연구소가 주관하는 ‘반도체 플라즈마 공정장비 지능화 기술개발 및 실증’과제를 2020년도 융합연구단사업으로 선정했습니다. ‘공정장비 지능화’를 통해 우리나라 반도체 산업 체질 개선에 도전하는 융합연구단의 청사진을 플라즈마기술연구센터 기반기술연구부 김종식 박사(책임연구원)와 함께 안내합니다.

 

국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터 물성측정연구팀 김종식 책임연구원의 사진 

 

 

|반도체 산업의 체질 바꾸는 마중물 ‘장비 지능화’

 
“반도체 산업은 웨이퍼 한 장의 가치가 자동차 한 대와 맞먹을 정도로 부가가치가 높습니다. 따라서 세계 각국의 메모리 집적도 전쟁이 뜨거운 데요. 현존하는 세계 최고층 빌딩 두바이 칼리파의 바닥면적 대비 높이가 1:6이라면 30nm급 DRAM은 무려 1:25에 달합니다. 집적도가 높아질수록 반도체의 구조는 더욱 복잡해지고, 제조공정의 기술난이도도 증가하죠.”

 

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

<사진=삼성전자 제공>

 

융합연구단의 탄생 배경을 설명하는 김종식 박사는 “반도체 기술이 워낙 빠르게 발전하는 탓에 수년 전만 해도 1메가 D램 생산에 200~300개 제조공정과 1000여개의 설비가 동원됐지만, 현재는 제조공정이 약 1000개에 이르고 설비도 수만대가 투입된다”고 말합니다. 생산 공정이 미세화될수록 장비 계측·검사의 중요성이 높아지는데요. 장비 가격만 전공정 20~50억 원, 후공정 5~20억 원, 검사 5~25억 원에 달해 원가경쟁력을 위협합니다. 안타깝게도 우리나라는 외산 장비 의존도가 80~90%에 달합니다. 김종식 박사의 설명을 이어 들어볼까요?

 

“시장의 요구가 많아질수록 생산 공정은 복잡해집니다. 반도체 품질관리와 생산성 향상을 위해 생산데이터 기반의 스마트팩토리 도입이 추진되고 있지만, 이들 장비 역시 해외 기업이 독점하고 있어요. 글로벌 경쟁력을 갖춘 외산 장비사들은 장비 운영 과정에서 수집되는 장비 데이터를 분석하여 오류를 제거하고 성능을 개선하며 경쟁력을 더욱 강화합니다. 상대적으로 국내 기업은 기초·원천 기술과 연구 역량이 부족한 상황으로 국가 차원의 대응이 시급합니다.”

 

반도체 생산 기업이 외산 장비를 선호하는 이유는 단 하나, 안정성과 재현성입니다. 융합연구단은 반도체 플라즈마 장비의 지능화를 통해 우리나라 소재/부품/장비 기업의 경쟁력을 확보하고 반도체 산업의 체질을 바꾸는 마중물이 되고자 합니다.

 

▼'플라즈마로 반도체 공정 바꾸다' 자세히 보기

 https://blog.naver.com/nfripr/221196859309

 

 

|장비 지능화는 융합연구의 꽃, 산학연 반도체 플라즈마 전문가 모였다

 

반도체 집적도가 높아질수록 플라즈마를 이용한 가공 공정이 중요하다. <사진 출처=Fermilab>
반도체 집적도가 높아질수록 플라즈마를 이용한 가공 공정이 중요하다.  <사진 출처=Fermilab>


“공정상 문제를 인지하고 판단하고 자동으로 제어하여 반도체 제조장비 핵심 원천 기술을 확보하고 지능형 장비 국산화와 반도체 산업의 경쟁력 향상을 도모하고자 합니다.”

 

플라즈마 융합사업단이 6년간 도전할 미션입니다. 실제 장비에서 측정되는 다양한 데이터를 학습시키면 공정 중 오류가 발생해도 엔지니어들이 문제해결을 위한 계산과정 없이 장비의 상태와 불량원인을 밝히고 제어할 수 있습니다. 중요한 사실은 기초연구 없이 중간부터 시작할 수 없다는 점입니다.


김종식 박사는 “장비에서 측정되는 다양한 데이터를 활용해 공정 효율을 높이는 다양한 방안 제시가 필요하다”며 “우리나라가 반도체 제조 공정기술의 초격차 전략을 유지하면서 현안을 해결하려면 전통적 생산장비와 첨단 기술의 융합을 통한 반도체 장비의 지능화가 필수이며, 이러한 장비들이 연계된 스마트팩토리로의 전환이 필요하다.”고 강조합니다.

2018년 기준, 삼성전자 반도체 공장에서 반도체 칩 하나가 만들어지는 기간은 25~60일이었습니다. 이 과정에서 공정 설비에 설치된 100만 개 이상의 IoT센서를 통해 약 45억 개가량의 데이터가 수집되는데요. 하루에 수집되는 데이터만 45테라바이트에 달합니다. 이들 데이터를 어떻게 수집하고 분석하고 활용할지가 미래 반도체 산업의 경쟁력과 직결됩니다.

 

11월 1일 융합연구단의 힘찬 출발을 준비 하고 있는 플라즈마기술연구센터 전경.
11월 1일 융합연구단의 힘찬 출발을 준비 하고 있는 플라즈마기술연구센터 전경.


국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터는 반도체 플라즈마 물성에 대해 누구보다 잘 아는 전문가 집단으로 플라즈마 물성데이터센터로 활약해 왔습니다. 또한 2017년부터 반도체공정기술제조공정기술교류회 등 반도체 및 디스플레이 관련 다양한 커뮤니티 활동을 하며 산업체가 직면한 현실을 파악하고 그들의 요구에 귀 기울였습니다. 융합연구단 선정 이전부터 창의융합 연구와 고성능/고신뢰성 플라즈마 공정 예측 및 제어 모듈 개발 선행융합연구를 통해 지능화 연구의 중요성과 가능성도 확인했습니다.

 

그리고, 국가핵융합연구소는 반도체 경쟁력 강화를 위해 출연연과 학계, 산업계와 힘을 모았습니다. 이번에 출범하는 융합연구단은 국가핵융합연구소, 한국과학기술연구원, 한국과학기술정보연구원, 한국표준과학연구원 등 4개 출연연과 서울대, 부산대, 충남대, 전북대, 명지대, 가천대, 한국항공대 등 7개 대학의 반도체 장비 산업 관련 연구인력 100여 명이 참여합니다. 반도체 생산장비 지능화 기술은 물리, 화학, 기계, 소재, IT, 광학 및 전기·전자 등 다양한 기술 분야가 연결되는 국가 융합연구의 최전선이기에 융합연구단 선정이 갖는 의미가 큽니다.

 

지금까지 반도체란 큰 틀에서 개별단위 연구를 진행하던 주체들이 ‘플라즈마 반도체 지능화 장비 개발’이란 주제로 한데 모이기까지 보이지 않는 노력도 필요했습니다. 김종식 박사는 “출연연과 대학의 경우 연구자, 교수, 학생들과 지속적인 만남을 갖고 공감대를 형성할 수 있었지만, 산업체의 경우 취지는 공감하면서도 기술 소유권이나 비밀유지 등 현실적인 어려움을 이유로 참여를 주저하는 경우가 많았습니다.”라고 회상합니다.

 

 

|6년간 440억 원 예산으로 데이터 분석부터 장비 실증까지 도전

 

융합연구단이 앞으로 추진할 방향의 도식화 자료 

 

융합연구단은 앞으로 6년간 440억 원의 예산을 기반으로 3차원 구조 반도체 공정에서 핵심 역할을 하는 플라즈마 공정장비(식각, 증착)에서 수집되는 데이터를 기반으로 머신러닝 알고리즘을 적용하여 상태를 정확하게 진단하고, 변화를 인지·분석하여 능동적으로 공정을 제어하는 공정장비 지능화 기술을 개발하여 최종적으로 산업현장에 투입할 계획입니다.

 

단계별 목표를 살펴보면 ▲1단계는 공정 데이터의 정보화를 위해 플라즈마 특성 및 공정 센싱 데이터 개발, 고신뢰성 장비/공정 해석 데이터베이스 개발 및 센서 신뢰성 평가 시범공간(테스트 베드)를 구축 ▲2단계는 공정장비의 지능화를 목표로 플라즈마 장비/공정 해석 기술 개발, 디지털 트윈 및 제어시스템 개발 ▲마지막 3단계 목표는 통합시스템 정보분석 및 운영기술 개발, 지능형 장비 실증 및 시범공간(테스트 베드) 구축입니다. 국가핵융합연구소는 이 중 정보화(데이터베이스 개발), 지능화(시뮬레이션 기술 개발), 지능형 장비 실증 및 시범공간(테스트 베드) 구축에 무게를 두고 과제를 주관합니다.

 

융합연구단은 군산산업단지의 어려움 개선 및 군산 강소 특구의 성공적인 안착을 위해 출연연 R&D 인력이 유입되는 융합연구단을 군산에 구축하고, 국가 주력 산업의 기반이 되는 반도체 장비/부품 클러스터를 구축할 계획입니다. 군산 지역 내 반도체 장비 산업의 허브로 자리매김하여 지역 산업 혁신과 국토 균형 발전을 이뤄 간다는 포부인데요.

 

지금까지 반도체 산업은 서울과 수도권을 중심으로 발전했지만, 플라즈마라는 특별한 조건을 이용하는 반도체 장비의 특성상 국내 유일의 플라즈마 전문 연구기관인 플라즈마기술연구센터에 융합연구단이 자리 잡으며 반도체/디스플레이 장비 불모지인 군산 국가산업단지의 기대도 큽니다. 올해 플라즈마기술연구센터는 플라즈마소재부품국가연구실(N-Lab) 으로 지정되어 이번 융합연구단과 함께 소재, 부품에서 장비로 이어지는 연구개발을 수행하게 되어 시너지가 예상됩니다. 이뿐만이 아닙니다. 최근 군산은 군산대를 중심으로 자동차와 에너지기술 관련 강소특구지역으로 지정되어, 더욱 큰 탄력을 받을 것으로 기대를 모으고 있죠.

 

한편 지금까지 기업들은 연구개발 단계에서 성능 검증 및 개선을 위한 시범공간(테스트 베드)이 없어 기술적 어려움에 봉착하면 돌파구를 찾기 어려웠습니다. 융합연구단은 이에 R&D 시범공간(테스트 베드)을 구축하고 연구단의 실증 장비 및 플라즈마/장비 진단기술, 해석 기술, 제어 기술을 이용하여 플라즈마 환경에서의 소재/부품/장비의 초기 연구개발단계를 지원할 방침입니다.

 

융합연구단의 제1 세부책임자로 참여하는 김종식 박사

 

“연구를 통해 안 되는 것, 어려운 것을 해결하여 사람들을 돕고자 과학자가 되었습니다. 이번 도전이 쉽진 않지만,융합연구단의 제1 세부책임자이자, 산업체에서 가장 필요로 하는 데이터의 중심을 책임지고 있는 사람으로서 우리나라 반도체 산학연과 함께 플라즈마 장비 지능화를 통한 국산화를 이끌고 반도체 산업 경쟁력 강화에 기여하고 싶습니다.”

 

융합연구단의 제1 세부책임자로 참여하는 김종식 박사는 과학자의 길을 택한 초심을 돌아봅니다. 자율주행 자동차처럼 반도체 장비가 스스로 공정을 판단하고 제어하기까지, 앞으로 이들 앞에는 수많은 도전이 기다리고 있는데요. 반도체 분야 산학연이 함께 하기에 두렵지 않다고 말합니다. 이제 곧 우리나라 반도체 산업의 미래를 밝힐 11월이 시작됩니다. 힘찬 첫걸음을 내딛는 융합연구단의 도전을 함께 응원해주세요.

 

 

 

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