11월 출범하는 플라즈마 공정장비 지능화융합연구단
반도체는 제4차 산업 시대의 “미국”입니다. 스마트 폰, 자동 자동차, 로봇 등 첨단 산업의 핵심 기술인 한국 경제를 떠받치는 기간 산업입니다. 들판의 곡식이 농부의 발소리를 들으며 무르익게 하나의 반도체가 탄생하기까지 약 300단계에 이르는 복잡한 공정을 이루기 위해서 고성능 공정 장비와 전문 엔지니어의 역량이 요구되었습니다. 복잡한 도로 위의 상황을 감지하는 센서 기술과 데이터, 그리고 인공 지능이 만난 자동 운전 자동차처럼 반도체 장비도 스스로 공정을 “인지””판단””제어”다는 꿈같은 미래 때문에 도전장을 낸 사람들이 있습니다. 11월 하루에 본격적으로 출범한다”플라스마 공정 장비 지능화 융합 연구단(이하 융합 연구단)”입니다.국가 과학 기술 연구회(NST)는 국가 핵 융합 연구소가 주관하는 “반도체 플라스마 공정 장비 지능화 기술 개발 및 실증”과제를 2020년도 융합 연구단 사업으로 선정했습니다. “공정 장비 지능화”를 통해서 한국의 반도체 산업 체질 개선에 도전하는 융합 연구단의 청사진을 플라즈마 기술 연구 센터 기반 기술 연구부 김·종식 박사(책임 연구원)과 함께 안내합니다.
반도체 산업 체질 바꾸는 마중물 장비 지능화
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“반도체 산업은 웨이퍼 1장의 가치가 자동차 1대에 맞먹을 정도로 부가 가치가 높습니다. 그래서 세계 각국의 메모리 집적도 전쟁이 뜨겁습니다. 현존하는 세계 최고층 빌딩 두바이·칼리파의 바닥 면적 대비 높이가 1:6이라면 30nm급 DRAM은 무려 1:25에 이릅니다. 집적도가 높아질수록 반도체의 구조는 더욱 복잡해지고 제조 공정의 기술 난이도도 증가합니다”
반도체가 생산되기까지 300단계 이상 공정이 필요하며, 이 과정에서 100만개 이상의 IoT 센서를 통해 약 45억개 가량의 데이터가 수집된다. <사진=삼성전자제공>융합 연구단의 탄생 배경을 설명하는 김·종식 박사는 “반도체 기술이 너무 빨리 발전하고 있어 몇년 전까지는 1메가 D램 생산에 200~300개의 제조 공정과 1000여개의 설비가 동원되었지만 현재는 제조 공정이 약 1000개에 이르는 설비도 수만대 투입된다”라고 이야기하고 있습니다. 생산 공정이 미세화할수록 장비 계측·검사의 중요성이 높아집니다. 장비 가격만 전 공정 20~50억원, 후 공정 5~20억원, 검사 5~25억원에 이르는 원가 경쟁력을 위협합니다. 유감이지만 우리 나라는 외국산 장비에의 의존도가 80~90%에 달합니다 김·종식 박사의 설명을 계속 듣고 봅시다.”시장의 수요가 늘어날수록 생산 공정은 복잡하게 됩니다. 반도체 품질 관리와 생산성 향상을 위해서 생산 데이터 기반의 스마트 팩토리 도입이 추진되고 있지만 이들 장비 역시 해외 기업이 독점하고 있습니다. 글로벌 경쟁력을 갖춘 외국산 장비 업체는 장비 운영 과정에서 수집되는 장비 데이터를 분석하고 오류를 제거하고 성능을 개선하고 경쟁력을 더욱 강화하겠습니다. 상대적으로 국내 기업은 기초·원천 기술과 연구 역량이 부족한 상황에서 국가 차원의 대응이 시급합니다.”반도체 생산 기업이 외국산 장비를 좋아하는 이유는 단 하나, 안정성과 재현성입니다. 융합 연구단은 반도체 플라스마 장비의 지능화를 통해서 한국 재질/부품/장비 기업 경쟁력을 확보하고 반도체 산업의 체질을 바꾸는 계기가 되려고 하고 있습니다. ▼”플라스마에서 반도체 공정을 바꾸는 “자세히 볼 ▼플라즈마의 매력에 빠져있던 대학생 플라즈마로 반도체 공정을 바꾸는 ‘운이 좋았어요’ 질문은 장황했지만 대답은 간결했습니다. 2017년 국가핵융합연구소(NFRI) 우수논문…blog.naver.com장비 지능화는 융합연구의 꽃, 산학연 반도체 플라즈마 전문가 모였다반도체 집적도가 높아질수록 플라즈마를 이용한 가공공정이 중요하다. <사진 출처 = Fermilab>”공정상의 문제를 인지하고 판단하고 자동으로 제어하여 반도체 제조장비의 핵심 원천기술을 확보하여 지능형 장비 국산화와 반도체 산업 경쟁력 향상을 도모하고자 합니다.” 플라즈마 융합사업단이 6년간 도전하는 미션입니다. 실제 장비에서 측정되는 다양한 데이터를 학습시키면 공정 중 오류가 발생하더라도 엔지니어가 문제 해결을 위한 계산 과정 없이 장비의 상태와 불량 원인을 밝히고 제어할 수 있습니다. 중요한 사실은 기초연구 없이는 중간부터 시작할 수 없다는 점입니다. 김정식 박사는 “장비로 측정되는 다양한 데이터를 활용해 공정 효율을 높이는 다양한 방안 제시가 필요하다”며 “우리나라가 반도체 제조공정 기술의 초격차 전략을 유지하면서 현안을 해결하려면 전통적 생산장비와 첨단기술의 융합을 통한 반도체 장비의 지능화가 필수적이며, 이러한 장비들이 연계된 스마트팩토리로의 전환이 필요하다”고 강조합니다. 2018년 기준 삼성전자 반도체 공장에서 반도체 칩 하나가 만들어지는 기간은 25~60일이었습니다. 이 과정에서 공정설비에 설치된 100만개 이상의 IoT 센서를 통해 약 45억개 가량의 데이터가 수집됩니다. 하루에 수집되는 데이터만 45테라바이트에 달합니다. 이러한 데이터를 어떻게 수집하고 분석하고 활용하느냐가 미래 반도체 산업의 경쟁력과 직결됩니다.11월 1일 융합연구단의 힘찬 출발을 준비하고 있는 플라즈마 기술연구센터 전경.11월 1일 융합연구단의 힘찬 출발을 준비하고 있는 플라즈마 기술연구센터 전경.국가 핵 융합 연구소 플라스마 기술 연구 센터는 반도체 플라스마 물성을 누구보다도 잘 알고 있는 전문가 집단에서 플라스마 물성 데이터 센터로 활약했습니다. 또 2017년부터 반도체 공정 기술 제조 공정 기술 교류회 등 반도체 및 디스플레이 관련 다양한 커뮤니티 활동했고 산업 단체가 직면하고 있는 현실을 파악하고 그들의 요구에 귀을 기울였습니다. 융합 연구단 선정 이전부터 창의 융합 연구와 고성능/고 신뢰성 플라스마 공정 예측 및 제어 모듈 개발 선행 융합 연구를 통해서 지능화 연구의 중요성과 가능성도 확인했습니다. 그리고 국가 핵 융합 연구소는 반도체의 경쟁력 강화에 출연 연구원과 학계, 산업계와 힘을 합쳤습니다. 이번에 발족할 융합 연구단은 국가 핵 융합 연구소, 한국 과학 기술 연구원, 한국 과학 기술 정보 연구원, 한국 표준 과학 연구원 4개의 출연 연구 기관과 서울대 부산대, 충남대, 전북대, 명지대 가천 대학, 한국 항공대 등 7개 대학의 반도체 장비 산업 관련 연구 인력 100여명이 참가합니다. 반도체 생산 장비 지능화 기술은 물리, 화학, 기계, 소재, IT, 광학 및 전기·전자 등 다양한 기술 분야가 연결되는 국가 융합 연구의 최전선이기 때문에 융합 연구단 선정의 의미가 큽니다.지금까지 반도체라는 큰 틀에서 개별 단위 연구를 진행한 주체가 “플라스마 반도체 지능화 장비 개발”이라는 주제로 모이까지 보이지 않는 노력도 필요했습니다. 김·종식 박사는 “출연 연구원과 대학의 경우, 연구자, 교수, 학생들과 지속적인 만남을 갖는 공감을 형성할 수 있었지만, 산업체의 경우, 취지는 공감하면서도 기술 소유권과 비밀 유지 등 현실적 어려움을 이유로 불참을 주저하는 경우가 많았습니다”고 회상합니다. ● 6년간 440억원의 예산으로 데이터 분석, 장비 실증까지 도전”연구를 통해서 안 되는 일, 어려운 일을 해결한 사람을 돕는다고 과학자가 되었습니다. 이번 도전은 쉽지 않지만 융합 연구단의 제1세부 책임자인 산업체에서 가장 필요로 하는 데이터의 중심을 지고 있는 인사로 한국 반도체 산학연과 함께 플라스마 장비 지능화를 통한 국산화를 이끌 반도체 산업 경쟁력 강화에 기여하고 싶습니다.융합 연구단의 제1세부 책임자로 참여하는 김·종식 박사는 과학자의 길을 택한 초심을 돌아봅니다. 자동 운전 자동차처럼 반도체 장비가 스스로 공정을 판단하고 제어할 때까지 향후 그들 앞에는 수많은 도전이 기다리고 있습니다. 반도체 분야의 산학연이 함께 하기 때문에 두렵지 않다고 합니다. 이제 곧 한국의 반도체 산업의 미래를 밝혀11월이 시작됩니다. 힘차게 첫발을 내디뎠을 융합 연구단의 도전을 함께 응원하세요.연구를 통해 안 되는 것, 어려운 것을 해결하고 사람들을 도우려고 과학자가 됐어요. 이번 도전은 쉽지 않지만 융합연구단의 제1세부책임자이자 산업체에서 가장 필요로 하는 데이터의 중심을 맡고 있는 사람으로서 한국반도체산학연과 함께 플라즈마 장비 지능화를 통한 국산화를 이끌어 반도체 산업 경쟁력 강화에 기여하고 싶습니다.융합연구단 제1세부책임자로 참여하는 김정식 박사는 과학자의 길을 택한 초심을 되새깁니다. 자율주행자동차처럼 반도체 장비가 스스로 공정을 판단하고 제어하기까지 앞으로 이들 앞에는 수많은 도전이 기다리고 있습니다. 반도체 분야 산학연이 함께하기 때문에 무섭지 않다고 합니다. 이제 곧 한국 반도체 산업의 미래를 밝히는 11월이 시작됩니다. 힘찬 첫발을 내딛는 융합연구단의 도전을 함께 응원해주시기 바랍니다.