●장비가 스스로 판단해 완성할 수 있다? ● 자율주행자동차처럼 반도체도

 11월 출범하는 플라즈마 공정장비 지능화 융합연구단 반도체는 4차 산업시대의 쌀입니다. 스마트폰, 자율자동차, 등 첨단산업의 핵심기술이자 한국경제를 지탱하는 기간산업입니다. 들판의 곡식이 농부의 발소리를 듣고 익었듯이 하나의 반도체가 탄생할 때까지 약 300단계에 이르는 복잡한 공정을 이루기 위해 고성능 공정 장비와 전문 엔지니어의 역량이 요구되었습니다.

복잡한 도로상의 상황을 감지하는 센서 기술과 데이터, 그리고 인공지능이 만난 자율주행 자동차처럼 반도체 장비들도 스스로 공정을 ‘인지’, ‘판단’, ‘제어’하는 꿈같은 미래를 위해 도전장을 내민 사람들이 있습니다. 11월 1일 본격 출범하는 ‘프라즈마 공정장비 지능화 융합연구단(이하 융합연구단)’입니다.

국가과학기술연구회(NST)는 국가핵융합연구소가 주관하는 ‘반도체 플라즈마 공정장비 지능화 기술개발 및 실증’ 과제를 2020년도 융합연구단 사업으로 선정하였습니다. ‘공정장비의 지능화’를 통해 국내 반도체산업의 체질개선에 도전하는 융합연구단의 청사진을 플라즈마기술연구센터 기반기술연구부 김정식 박사(책임연구원)와 함께 안내합니다.

반도체 산업의 체질을 바꾸는 호출수 장비 지능화 반도체 산업은 웨이퍼 한 장의 가치가 자동차 한 대와 맞먹을 정도로 부가가치가 높습니다. 현존하는 세계 최고층 건물인 두바이 칼리파의 바닥면적 대비 높이가 1 대 6이라면 30nm급 D램은 1 대 25에 이릅니다. 집적도가 높아질수록 반도체 구조는 더 복잡해지고 제조 공정의 기술 난이도도 높아집니다.

반도체가 생산되기까지 3 00단계 이상의 공정이 필요하며, 이 과정에서 100만 개 이상의 IoT 센서를 통해 약 45억 개 정도의 데이터가 수집된다. <사진 = 삼성전자 제공 >

융합연구단의 탄생 배경을 설명하는 김정식 박사는 “반도체 기술이 워낙 빨리 발전해 몇 년 전만 해도 1메가D램 생산에 200-300개의 제조공정과 1000개의 설비가 동원됐지만 현재는 제조공정이 1000여개에 이르고 설비도 수만대가 투입되고 있다”고 말했습니다. 생산 공정이 미세화될수록 장비 계측 및 검사의 중요성이 높아집니다. 장비 가격만 해도 전공정 50억원, 후속공정 20억원, 검사 25억원에 달해 원가경쟁력을 위협합니다. 아쉽게도 한국은 외산장비 의존도가 80~90%에 이릅니다. 김종식 박사의 설명을 이어서 들어볼까요?

시장의 요구가 늘어날수록 생산 공정은 복잡해집니다. 반도체의 품질관리와 생산성 향상을 위해 생산 데이터 기반의 스마트 팩토리 도입이 진행되고 있는데, 이러한 기기들도 해외 기업이 독점하고 있습니다. 글로벌 경쟁력을 갖춘 외산 장비 회사는 장비 운영 과정에서 수집되는 장비 데이터를 분석하여 오류를 제거하고 성능을 개선하며 경쟁력을 더욱 강화합니다. 상대적으로 국내 기업들은 기초원천기술과 연구역량이 부족한 상황에서 국가 차원의 대응이 시급합니다.”

반도체 생산업체들이 외산장비를 선호하는 이유는 단 한 가지 안정성과 재현성입니다. 융합연구단은 반도체 플라즈마 장비의 지능화를 통해 국내 소재/부품/장비 기업의 경쟁력을 확보하고 반도체 산업의 체질을 바꾸는 계기가 됩니다.

▼”플라즈마로 반도체 공정을 바꾸다” 자세히 ▼”운이 좋았어요” 질문은 길었지만 대답은 간결했습니다. 2017년 국가핵융합연구소(NFRI) 우수논문…blog.naver.com 장비지능화는 융합연구의 꽃, 산학연 반도체 플라즈마 전문가들이 모였다.

반도체의 집적도가 높아지는 호드, 플라즈마를 이용한 가공 공정이 중요하다. <사진 출처=Fermilab>

공정상의 문제를 인지하고 판단하고 자동제어하여 반도체 제조장비의 핵심 원천기술을 확보하여 지능형 장비의 국산화와 반도체 산업의 경쟁력 향상을 도모합니다.

플라즈마 융합사업단이 6년간 도전하는 미션입니다. 실제 장비에서 측정되는 다양한 데이터를 학습시키면 공정 중 오류가 발생하더라도 엔지니어가 문제 해결을 위한 과정 없이 장비의 상태와 불량 원인을 밝혀 제어할 수 있습니다. 중요한 것은 기초연구 없이는 중간부터 시작할 수 없다는 점입니다.

김정식 박사는 “장비에서 측정되는 다양한 데이터를 활용하여 공정 효율을 높이는 다양한 방안 제시가 필요하다”며 “한국이 반도체 제조 공정 기술의 초격차 전략을 유지하면서 현안을 해결하기 위해서는 전통적인 생산 장비와 첨단 기술의 융합을 통한 반도체 장비의 지능화가 필수적이며, 이러한 장비들이 연계된 스마트 팩토리로의 전환이 필요하다”고 강조합니다.

2018년 현재 삼성전자 반도체 공장에서 반도체 칩 하나가 만들어지는 기간은 25-60일이었습니다. 이 과정에서 공정 설비에 설치된 100만 개 이상의 IoT 센서를 통해 약 45억 개 정도의 데이터가 수집됩니다. 하루에 수집되는 데이터만 45테라바이트에 이릅니다. 이러한 데이터를 어떻게 수집하고 분석하며 활용하는가가 미래 반도체 산업의 경쟁력과 직결됩니다.

지난 11월 1일 융합연구단의 힘찬 출발을 준비하고 있는 플라즈마 기술연구센터 전경.

국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터는 반도체 플라즈마 물성에 관해 누구보다 잘 알고 있는 전문가 집단으로 플라즈마 물성 데이터센터로 활약해 왔습니다. 또한 2017년부터 반도체 공정 기술 제조 공정 기술 교류회 등 반도체 및 디스플레이 관련 다양한 커뮤니티 활동을 통해 산업이 처한 현실을 파악하고 그들의 요구에 귀기울여 왔습니다. 융합연구단 선정 이전부터 창의융합연구와 고성능/고신뢰성 플라즈마공정 및 제어모듈 개발 선행융합연구를 통해 지능화 연구의 중요성과 가능성도 확인하였습니다.

그리고 국가핵융합연구소는 반도체 경쟁력 강화를 위해 출연연과 학계, 산업계와 힘을 합쳤습니다. 이번에 출범하는 융합연구단은 국가핵융합연구소, 한국과학기술연구원, 한국표준과학연구원 등 4개 출연과 서울대, , 충남대, 전북대, 명지대, 가천대, 한국항공대 등 7개 대학의 반도체 장비 산업 관련 연구인력 100여 명이 참여합니다. 반도체 생산 장비의 지능화 기술은 물리, 화학, 기계, 소재, IT, 광학 및 전기·전자 등 다양한 기술 분야가 연결되는 국가융합 연구의 최전선이므로 융합연구단 선정이 갖는 의미가 크다고 생각합니다.

그동안 반도체라는 큰 틀에서 개별 단위의 연구를 진행했던 주체들이 ‘플라스마 반도체 지능화 장치 개발’이라는 주제로 한자리에 모이기까지의 보이지 않는 노력도 필요했습니다. 김정식 박사는 “출연연과 대학의 경우 연구자, 교수, 학생들과 지속적인 만남을 갖고 공감할 수 있었지만 산업체의 경우 취지에는 공감하면서도 기술소유권이나 비밀유지 등 현실적인 어려움을 이유로 참여를 주저할 때가 많았다”고 회상합니다.

●6년간 440억원 예산으로 데이터 분석부터 장비 실증까지 도전

융합연구단은 향후 6년간 0억원의 예산을 기반으로 3차원 구조 반도체 공정에서 핵심 역할을 할 플라즈마 공정장비(식각, 증착)로 수집되는 데이터를 기반으로 머신러닝 알고리즘을 적용하여 상태를 정확히 진단하고 변화를 인지, 분석하여 능동적으로 공정을 제어하는 공정장비 지능화 기술을 개발하여 최종 산업현장에 투입할 계획입니다.

단계별 목표를 살펴보면 ▲1단계는 공정 데이터의 정보화를 위해 플라즈마 특성 및 공정 센싱 데이터 개발, 고신뢰성 장비/공정 해석 개발 및 센서 신뢰성 평가 모델 스페이스(테스트 베드) 구축 ▲2단계는 공정 장비의 지능화를 목표로 플라즈마 장비/공정 해석 기술개발, 디지털 트윈 및 제어 시스템 개발 ▲마지막 3단계 목표는 통합 시스템 정보분석 및 운영 기술개발(지능형)입니다. 국가핵융합연구소는 이중 정보화(데이터베이스 개발), 지능화(시뮬레이션 기술개발), 지능형 장비 실증 및 시험공간(테스트베드) 구축에 중점을 두고 과제를 주관합니다.

융합연구단은 군산산업단지의 어려움 개선 및 군산강 소특구의 성공적인 안착을 위해 출자연 R&D 인력이 유입되는 융합연구단을 군산에 구축하여 국가 주력산업의 기반이 되는 반도체 장비/부품 클러스터를 구축할 계획입니다. 군산지역 내 반도체 장비산업의 허브로 자리매김하여 지역산업혁신과 국토균형발전을 이루겠다는 포부입니다.

그동안 반도체 산업은 서울과 수도권을 중심으로 발전하였으나 플라즈마라는 특별한 조건을 이용하는 반도체 장비의 특성상 국내 유일의 플라즈마 전문 연구기관인 플라즈마 기술연구센터에 융합연구단이 설치되어 반도체/디스플레이 장비의 불모지인 군산 국가산업단지의 기대도 큽니다. 플라즈마기술연구센터는 플라즈마 소재 부품 국가연구실(N-Lab)로 지정돼 이번 융합연구단과 함께 소재, 부품에서 장비로 이어지는 연구개발을 수행하게 되어 시너지 효과가 예상된다. 이것뿐만이 아닙니다. 최근 군산은 군산대학교를 중심으로 자동차와 에너지 기술 관련 강소특구 지역으로 지정되어 더욱 탄력을 받을 것으로 기대되고 있습니다.

한편 그동안 기업들은 연구개발 단계에서 성능 검증과 개선을 위한 모델 공간(테스트베드)이 없어 기술적 어려움에 처하면 돌파구를 찾기 어려워졌습니다. 융합연구단은 이에 R&D 모델공간(테스트베드)을 구축하여 연구단의 실증장비 및 플라즈마/장비 진단기술, 해석기술, 제어기술을 이용하여 플라즈마 환경에서의 소재/부품/장비의 초기 연구개발 단계를 지원할 방침입니다.

연구를 통해 할 수 없는 일, 어려운 일을 해결하고 사람들을 돕고자 과학자가 되었습니다. 이번 도전은 쉽지 않겠지만 융합연구단의 제1세부 책임자이자 산업체에서 가장 필요로 하는 데이터의 중심을 담당하고 있는 자로서 국내 반도체산학연과 함께 플라즈마 장비 지능화를 통한 국산화를 이끌어 반도체 산업의 경쟁력 강화에 기여하고자 합니다.”

융합연구단의 제1세부 책임자로 참여하는 김정식 박사는 과학자의 길을 택한 초심을 되새깁니다. 자율주행자동차처럼 반도체 장비가 스스로 공정을 판단하고 제어할 때까지 앞으로 그들 앞에는 수많은 도전이 기다리고 있습니다. 반도체 분야의 산학연이 함께 하는 것은 두렵지 않다고 합니다. 곧 한국 반도체 산업의 미래를 밝히는 11월이 시작됩니다. 힘찬 첫걸음을 내딛는 융합연구단의 도전을 함께 응원해주시기 바랍니다.