반도체 8대 공정 2탄: 식각, 이온주입, 증착 공정

반도체 8대 공정은 웨이퍼 제조, 산화, 노광, 식각, 증착, 금속배선, 테스트, 패키징의 8단계로 이루어져 있습니다. 이 중 1~3단계는 지난 포스팅에서 설명드렸고, 오늘은 4단계인 식각 공정과 이온주입, 5단계 증착 공정에 관해 정리하겠습니다.

 

목차

4-1단계: 식각 공정

식각 (Etching) 공정은 필요한 회로 패턴만 남기고 깎아내는 과정을 의미합니다. 포토 공정을 통해 회로가 새겨진 웨이퍼에 식각 물질을 반응시켜서 감광액이 덮이지 않은 부분을 깎아냄으로써 회로 패턴만 남게 됩니다. 식각 공정은 웨이퍼를 깎아내는 게 아니고 산화 공정을 통해 웨이퍼에 씌웠던 산화막을 깎는 것입니다. 식각 공정은 습식과 건식으로 나뉘는데, 습식은 부식액을 이용해 산화막을 벗겨내는 것이고, 건식은 이온을 이용합니다. 

 

식각 공정 국내 밸류체인

• 식각액: 솔브레인, 이엔에프테크놀로지

솔브레인은 에칭 소재로 가장 유명한 회사입니다.

• 쿼츠: 원익QNC, 비씨엔씨 (합성)

쿼츠는 식각 장비에 들어가는 부품으로 웨이퍼 등에 불순물이 끼지 않도록 보호해 주는 역할을 합니다. 쿼츠는 석영 유리 (SiO2)로 만들어지는데 원익QNC의 경우 천연 쿼츠를, 비씨엔씨는 합성 쿼츠를 생산합니다. 합성 쿼츠는 천연 쿼츠의 단점을 보완하여 투과성이 좋고 수명이 긴 장점이 있습니다.

 

소재별 반도체 부품 시장을 분석해 보면 쿼츠가 70%로 가장 큰 규모이고, Si가 18%, SiC가 4%를 차지합니다. 쿼츠 부품의 2019 ~ 2023년 CAGR은 27.2%로 추정하고 있습니다. 반도체 공정 미세화 및 고단화가 진행됨에 따라 식각 공정이 반복되어야 하는 구조이므로, 향후 관련 수요는 꾸준히 증가할 것으로 기대됩니다.

 

원익QNC는 반도체 부품 사업과 세정 사업을 영위하는데 쿼츠 산업에서 절대 강자 중 하나입니다. 램리서치, 도쿄일렉트론 등의 장비회사에 주로 납품합니다. 비씨엔씨는 후술 할 Before 마켓과 After 마켓 모두에 납품하는데 주요 고객사로는 SK하이닉스, 유진테크, 세메스, 성전자의 자회사인 세메스, 삼성전자, 인텔 등입니다.

• 파츠 (Before): 하나머티리얼즈 (SiC), 티씨케이 (SiC)
• 파츠 (After): 월덱스 (Si), 케이엔제이 (SiC)

파츠는 반도체 장비에 들어가는 부품을 통칭하는 말로 Si링, SiC링, 쿼츠링, 쿼츠 튜브 등을 포함합니다. 다만 식각장비의 부품으로써의 파츠를 말할 때는, 주로 장비의 상단과 하단에 사용하여 웨이퍼를 고정하는 역할을 담당하는 링 형태의 부품에 한정되는 의미로 사용하는 경우가 많습니다. 장비의 상단에 사용하는 파츠를 아우터링, 하단에 사용하는 것은 포커스링으로 명명합니다.

 

파츠 시장은 고객사의 종류에 따라 Before 마켓과 After 마켓으로 나누는데, 각각 장비사에 납품하는 경우와 반도체 제조사에 납품하는 경우를 의미합니다.  따라서 Before 마켓 파츠는 신제품용을, After 마켓 파츠는 교체용을 의미합니다. 파츠의 가격은 Before 마켓이 높고, 이익률도 더 좋습니다. 파츠는 소모성이기 때문에 주기적으로 갈아줘야 하는데, 삼성전자나 SK하이닉스가 파츠회사로부터 교체용 부품을 직접 구매하게 됩니다. After 마켓은 Before 마켓에 비해 저마진 구조이지만 시장이 점점 커지고 있는 추세입니다.

 

Si파츠는 D램 위주로 사용합니다. 가격은 100만 원 정도로 저렴하며, 고순도이고 고온에 강하다는 장점이 있으나 강도가 약하다는 단점이 있습니다. SiC파츠는 낸드 위주로 사용되면 250만 원 수준으로 고가인 편입니다. 내마모성과 충격에 강하지만 비싸고 제조가 어려운 단점이 있습니다. 현재 SiC가 부품 시장에서 차지하는 비율은 미미하나 낸드 고단화 추제에 힘입어 SiC 시장은 점점 성장할 것으로 기대하고 있습니다. 또한 진입장벽이 높아 경쟁이 적은 장점이 있습니다. 

 

SiC는 티씨케이가 독점하던 분야였는데 최근 하나머티리얼즈가 합류하게 되었습니다. 티씨케이는 SiC 링을 국내 최초로 개발한 회사로서 어플라이드 머티리얼즈, 램리서치 등의 장비 회사가 주요 고객사입니다. 하나머티리얼즈는 Si 잉곳을 자체생산하는 기업인데, 추가로 SiC 파츠를 도쿄일렉트론, 세메스, 어플라이드 머티리얼즈 등의 장비사로 납품합니다.

 

월덱스는 미국, 대만, 싱가포르, 일본에 현지법인을 두고 있어 미국이 추진하는 반도체 relocation 수혜주 중 하나입니다. Si, SiC, 쿼츠를 모두 생산하며 SK하이닉스, 삼성전자, 인텔, 마이크론에 납품합니다. 케이엔제이는 디스플레이 패널 관련 엣지를 제조하는 회사인데 SiC 사업도 영위하고 있습니다. 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론, 키옥시아 등의 주요 고객사입니다.

• 전구체: 디엔에프, 한솔케미칼
• PR Strip: 피에스케이
• 스크러버: 유니셈, GST
• 특수가스: 원익머트리얼즈
• 건식 장비: 램리서치, 에이피티

 

4-2단계: 이온주입

웨이퍼의 재료가 되는 순수한 실리콘은 너무 안정적이기 때문에 전기가 흐르지 않습니다. 여기에 불순물을 이온의 형태로 주입하면 전기적 특성을 가진 반도체가 되는 것입니다. 이온 주입을 통해 부도체였던 실리콘이 반도체로 변화하는 과정이라 '잠자는 웨이퍼를 깨우는 공정'이라고도 부릅니다. 

 

5단계: 증착 공정

증착이란 박막을 성장시키는 과정을 의미합니다. 박막 공정은 회로가 그려진 웨이퍼에 1 마이크로미터의 매우 얇은 막을 균일하게 입히는 과정이니만큼 정교한 기술이 요구됩니다. 웨이퍼 위에 분자 또는 원자 단위의 물질을 박막 두께로 입힘으로서 전기적인 특성을  갖게 하는 것입니다. 다양한 증착 방법이 존재하는데, 크게는 물리적 증기증착 (PVD)과 화학적 증기증착 (CVD)으로 나뉩니다. 화학적 증기증착은 다시 열에너지 방식, 플라스마 에너지 방식, 원자층을 입히는 방식 (ALD)으로 나눌 수 있습니다.  

 

이 중 ALD 방식은 PVD나 CVD 방식 대비 공정속도가 느리고 비용이 많이 든다는 단점이 있으나, 막두께, 오염도, 단차피복성 (박막의 균일한 정도), 접합성, 치밀성 등의 측면에서 더 뛰어나기 때문에 미세공정에서 특히 더 많이 채택되는 방식입니다. EUV를 통한 노광 공정을 거친 경우는 반드시 ALD를 사용해야 합니다. 미세 공정이 기술변화의 트렌드의 중심에 있는 만큼 향후 ALD장비 제조업체의 중요성은 더욱 커질 것이라는 예측이 가능합니다.  

 

증착 기술 발전의 방향은 보다 더 작은 입자를 얇고, 접합이 잘 되도록 하는 것입니다. 하지만 박막이 너무 얇을 경우 회로에서 전류가 누설되는 문제점이 생깁니다. 이러한 단점을 보완하기 위한 증착물질로 High-K가 있는데, 유전율이 높아 전기 알갱이를 끌어들이는 능력이 탁월한 물질로 ALD 증착에만 사용됩니다. 

 

증착 공정 국내 밸류체인

• CVD 장비: 원익IPS, 테스, 주성엔지니어링
• ALD: 원익IPS, 유진테크, 주성엔지니어링, 지오엘리먼트 (부품)

ALD 장비 분야는 어플라이드 머티리얼즈, 도쿄일렉트론, 램리서치, ASM 등의 글로벌 기업이 상위 기술력을 가지고 있습니다. 원익IPS와 유진테크가 ALD 장비사로 분류되나 강한 경쟁력을 갖고 있지는 않고 주성엔지니어링은 실제로 High-K를 활용하는 ALD 장비를 만들어서 SK하이닉스에 납품하고 있습니다.  

• High-K 소재: 디엔에프, 레이크머티리얼즈, 덕산테코피아
• High-K 장비: 에이치피에스피 (박막에 High-K를 입혀주는 장비 제조)
• 소모성 부품: 원익QNC, 월덱스