반도체 8대 공정 1탄: 웨이퍼 제조, 산화, 노광 공정

반도체의 제조공정은 크게 8단계로 나뉩니다. 이른바 반도체 8대 공정이라고 불리는 과정으로 웨이퍼 제조, 산화, 노광 (포토), 식각, 증착, 금속배선, 테스트, 패키징이 이에 해당합니다. 앞으로 이 8단계의 반도체 제조공정에 관해 순서대로 설명할 텐데, 오늘의 포스팅에서는 웨이퍼 제조, 산화 공정, 노광 공정에 대해 정리해 보고자 합니다.

잉곳과 웨이퍼

 

목차

1단계: 웨이퍼 제조

웨이퍼란 반도체 제조를 위한 실리콘 기판을 의미합니다. 웨이퍼에 회로를 그려 반도체 칩을 제조하게 되는데 일종의 그림 그리는 도화지라고 생각하시면 이해하기 쉽습니다. 웨이퍼는 잉곳의 단면을 얇게 절단하여 만들어집니다. 잉곳은 모래에서 추출한 실리콘을 고온의 열로 용해하는 과정을 통해 순도 높은 실리콘 용액을 제조한 뒤 굳힌 실리콘 기둥을 의미합니다. 웨이퍼는 지름이 8인치인 것과 12인치인 것으로 나뉘는데, 8인치는 차량용 반도체 등 저사양 제품에 쓰이고, 12인치는 AP나 서버 등의 고사양 제품 생산을 위해 사용됩니다. 12인치는 삼성전자와 TSMC에서 주로 사용하고, 8인치의 경우 DB하이텍에서 사용합니다.

 

메모리 반도체와 마찬가지로, 웨이퍼 제조 분야에서도 치킨 게임이 있었습니다. 과거에는 16개 업체에 달했었는데, 2016년 이후부터 현재까지 상위 5개 기업이 공급하고 있습니다. 12인치 웨이퍼의 경우 글로벌 시장점유율은 일본의 Shin-Etsu가 30%, SUMCO 25%, SK실트론 18%, Siltronic이 14%를 차지하고 있습니다. 이러한 웨이퍼 공급사들의 고객은 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론 등의 반도체 공급사입니다. 

 

웨이퍼는 반도체 산업에 있어 필수 원재료로 적정 물량 확보가 필수적입니다. 따라서 장기 공급 계약이 주로 이루어지고, 웨이퍼 판매단가의 변동에 제한이 있으며, 공급자 우위시장을 형성하고 있습니다. 최근에는 전력반도체 시장의 성장에 따라, 미국의 울프스피드와 같은 SiC (실리콘 카바이드) 웨이퍼 제조업체 또한 큰 주목을 받고 있습니다. 반도체 산업의 공정기술 난이도는 계속 상승하기 때문에 웨이퍼 수요 또한 지속적으로 증가하는 추세입니다. 

 

웨이퍼 제조 국내 밸류체인 정리

• 웨이퍼 제조: SK실트론

 

2단계: 산화 공정

800~1200 ℃의 고온 상태에서 웨이퍼 표면에 산소나 수증기를 투입하면 얇은 산화막인 이산화규소 (SiO2)가 만들어집니다. 이렇게 형성된 산화막은 웨이퍼를 보호하고 전류를 차단하는 역할을 합니다. 

 

산화 공정과 관련한 반도체 밸류체인은 RTP 장비 업체와 드라이 클리닝 장비 업체로 구분됩니다. RTP 장비란 급속 열처리 장비로서 짧은 시간 내에 웨이퍼를 고온으로 처리해줍니다. 제조사에는 원익IPS와 AP시스템이 있습니다. 드라이클리닝 장비는 웨이퍼 위의 제거 불가능한 자연물을 제거하는 목적으로 쓰입니다. 제조사로는 피에스케이가 있습니다.

 

산화 공정 국내 밸류체인 정리

• RTP 장비: 원익IPS, AP시스템
• 드라이클리닝 장비: 피에스케이

 

3단계: 노광 (포토) 공정

노광 공정은 웨이퍼 위에 회로를 그리는 공정으로서 반도체 공정 중 가장 난이도가 높고 중요한 파트입니다.  노광 공정을 포토 공정이라고도 하는데, 필름의 사진을 감광액을 바른 인화지에 현상하는 것과 비슷한 과정을 거치기에 붙여진 이름인데 다음의 세 가지 과정을 거칩니다.

 

1) 산화막이 입혀진 웨이퍼에 감광액 (포토 레지스트)을 바릅니다.

감광액은 빛에 민감한 물질로, 감광액 막이 얇고 균일해야 고품질의 정교한 회로패턴을 그릴 수 있습니다. 최근에는 감광액을 덜 쓰거나 적용하지 않는 방식도 개발 중이라고 하는데, 이렇게 되면 감광액을 제조하는 회사에게는 악재일 수 있습니다. 따라서 주식 투자를 위해서는 기술 변화의 트렌드를 면밀히 모니터링하는 것이 중요합니다. 국내 감광액 제조사로는 동진쎄미켐, 영창케미칼, 이엔에프테크 (원료)가 있습니다.

 

2) 노광장비로 반도체 회로가 설계되어 있는 원판인 마스크에 빛을 투과시켜 웨이퍼에 회로를 그립니다. 

노광장비에는 광원에 따라 DUV와 EUV로 나뉘는데 DUV는 빛의 굵기가 굵고 EUV는 얇습니다. EUV로 얇은 빛을 쏘는 미세공정에서는 하나의 웨이퍼 당 생산할 수 있는 칩의 개수가 증가하므로 결과적으로 제조 원가를 낮추게 됩니다. 이러한 이유로 반도체 제조사들이 보다 더 미세한 공정의 개발을 위해 끊임없이 노력하는 것입니다. 

 

노광장비 밸류체인은 DUV와 EUV로 나누어 볼 필요가 있습니다. DUV의 경우 ArF (193 nm)와 KrF (248 nm)의 광원을 사용하는데 ASML이 글로벌 시장의 80%를 점유하고 있고, 이 외에 니콘도 제조사 중 한 곳입니다. EUV는 13.5 nm의 광원을 사용하여 미세공정 구현이 가능합니다. 7나노 이하의 공정은 EUV를 도입해야 하고, 현재 EUV 노광장비를 만들 수 있는 회사는 네덜란드의 제조사인 ASML 한 곳뿐입니다. 최근 삼성전자는 D램에도 EUV를 적용하고 있다고 밝힌 바 있습니다. 노광장비에 들어가는 핵심 부품 중 하나인 광원은 미국 회사인 사이머가 제공합니다.

 

포토마스크의 경우 국내 제조사로는 에스앤에스텍이 있습니다. 펠리클은 마스크를 보호하는 역할을 하는 부품인데 에스앤에스텍과 에프에스티에서 EUV용으로 개발 중입니다. 마스크에 결함이 있는지의 여부는 원자현미경으로 들여다보는데, 이러한 기능이 있는 장비를 마스크리뷰 장비라고 하고 파크시스템즈에서 제조합니다.

 

3) 회로가 그려지지 않은 부분의 감광액을 씻어내 회로 패턴을 완성하게 됩니다. 

PR Strip이라고 하는 감광액 제거 장비를 사용하는데 피에스케이가 세계 1등 제조사입니다. 

 

노광 공정 국내 밸류체인 정리

• 포토마스크: 에스앤에스텍
• 펠리클: 에스앤에스텍, 에프에스티
• 마스크 리뷰 장비: 파크시스템즈
• PR 스트립: 피에스케이