양자반도체를 만드는 반도체 공정

양자칩의 등장은 반도체 제조 기술의 한계를 다시 시험하고 있다. 기존의 미세공정 기술로는 큐비트의 정밀도와 안정성을 확보하기 어렵기 때문이다. 양자반도체는 기존 CMOS 기반 공정을 확장하면서도, 원자 단위의 정밀도를 요구한다. 이번 글에서는 양자반도체 제조를 위해 어떤 기술들이 새롭게 도입되고 있는지 살펴본다.

1. 초정밀 포토리소그래피 기술

양자칩의 회로는 수십 나노미터 이하의 정밀도를 요구한다. 이를 위해 기존의 DUV(193nm) 리소그래피 대신 EUV 기술이 활용되고 있다. 13.5nm 파장의 빛을 이용해 패턴을 새기며, 큐비트 간의 간섭을 최소화하기 위해 노광 균일도와 진동 제어가 중요하다. ASML, 삼성전자, TSMC 등이 EUV 기반 양자 회로 패턴 기술을 연구 중이다.

2. 원자층 증착과 하이브리드 재료

양자소자는 극도로 균일한 얇은 막이 필요하다. 원자층 증착은 한 층씩 원자 단위로 막을 쌓는 기술로, 초전도체나 절연막 형성에 사용된다. 기존 SiO₂ 대신 HfO₂, Al₂O₃, NbN, TiN 등의 하이브리드 소재가 도입되어 전자 누설을 최소화하고 양자 코히런스를 유지한다.

3. 초저온 환경에서의 공정 제어

양자칩은 절대온도에 가까운 극저온에서 작동하므로, 공정 중에도 열에 의한 변형이나 스트레스가 문제다. 이를 해결하기 위해 저온 플라즈마 증착, 저응력 절연막, 저온 CMP 기술이 도입되고 있다. 특히 CMP 단계에서는 나노미터 단위의 표면 평탄도를 확보해야 하며, 미세한 결함 하나가 큐비트의 수명에 영향을 미친다.

4. 초전도 재료 가공과 조셉슨 접합

초전도 큐비트를 구성하는 핵심은 조셉슨 접합이다. 얇은 절연층을 사이에 둔 두 초전도 금속(Nb, Al 등)을 정밀하게 패터닝해야 한다. 이를 위해 전자빔 리소그래피와 나노 증착 장비가 사용된다. 조셉슨 접합의 균일도는 큐비트의 주파수 정밀도에 직접적인 영향을 주기 때문에, 수백 나노미터 단위의 두께 제어가 요구된다.

5. 실리콘 기반 스핀큐비트 공정

스핀 기반 양자반도체는 기존 반도체 공정과 호환된다는 점에서 주목받는다. 실리콘 또는 게르마늄 기판 위에 양자점을 형성하고, 전자 스핀을 조절하는 게이트 전극을 배치한다. 이 과정은 기존 FinFET 트랜지스터 제조 기술을 변형한 형태로, 나노식각과 금속 배선 공정의 정밀도가 결정적이다. 인텔과 삼성전자는 실리콘 스핀큐비트를 이용한 상용화 가능성을 검증 중이다.

6. 하이브리드 공정의 등장

양자반도체 제조는 단일 기술로 완성되지 않는다. 초전도체·반도체·광소자 등 이종 소재를 하나의 칩에 통합해야 하므로, 하이브리드 공정이 필수다. 예를 들어 초전도체 위에 CMOS 회로를 증착하거나, 광자 인터페이스를 추가해 양자 통신 기능을 구현한다. 이 과정에서 이종 재료 간의 계면 접합과 열팽창 계수 차이를 제어하는 기술이 매우 중요하다.

7. 결함 제어와 공정 신뢰성

양자반도체에서는 원자 수준의 결함이 치명적이다. 표면 거칠기, 오염, 불순물 하나가 큐비트의 코히런스를 무너뜨릴 수 있다. 이를 방지하기 위해 초고진공 환경에서 공정이 수행되며, AI 기반 결함 모니터링 시스템이 적용되고 있다. 또한 양자소자 제조에는 전통적인 공정 제어 외에도 물리 기반 시뮬레이션과 머신러닝 예측 모델이 활용된다.

8. 양자반도체 제조의 도전과 미래

양자반도체 제조는 여전히 실험 단계에 머물러 있지만, 그 잠재력은 막대하다. 기존의 미세공정을 초정밀 원자 제어 기술로 진화시키는 과정이며, 이를 통해 ‘양자 산업’이라는 새로운 시장이 열리고 있다. 반도체 공정 엔지니어링, 재료 과학, 저온물리학이 융합된 분야로 발전하고 있으며, 향후 10년 내 실용적 양자칩 생산 라인이 등장할 것으로 전망된다.