반도체 8대 공정 3탄: 연마, 세정, 금속 배선, 테스트 공정과 인프라 장비

반도체 8대 공정에 속하는 과정들을 시리즈로 포스팅하고 있습니다. 오늘은 6단계 금속 배선 공정과 7단계인 테스트 공정, 반도체 전공정의 전 단계에 포함되는 연마 및 세정 공정, 그리고 반도체 공장 설립 시 기본으로 설치되는 인프라 장비에 대해 설명하겠습니다.

 

목차

연마 공정

연마 공정은 한마디로 표면을 다듬는 과정입니다. 반도체 제조 시 여러 층을 쌓는 공정이 반복되면서 표면이 울퉁불퉁해지게 되는데 이러한 부분을 일정하게 다듬는 작업이 필요한 것입니다. 연마 공정은 맷돌을 돌리는 것과 유사한데, 회전하는 패드 위에 연마제 (CMP 슬러리)를 뿌린 후 웨이퍼에 압력을 가하면서 웨이퍼를 회전시킵니다. 이때 연마제에 의한 화학작용과 회전에 의한 물리작용에 의해 웨이퍼가 평평해지고 박막의 두께가 균일해지게 됩니다. 

 

연마공정 밸류체인 정리

• CMP 장비: 케이씨텍 (대표기업)
• CMP 슬러리: 케이씨텍, 솔브레인

 

세정 공정

웨이퍼 세정

세정 공정은 불순물을 깨끗이 제거해 주는 과정입니다. 오염은 반도체의 신뢰성 및 양산 수율에 악영향을 미치므로, 전체 반도체 공정의 30%를 차지할 정도로 중요하게 다루어집니다. 자연 산화막, 유기물, 파티클, 금속 불순물 등을 제거합니다. 미세 공정으로 갈수록 회로가 좁아지기 때문에 미세 파티클, 미량의 금속 오염 제거가 더욱 중요해지므로 요구되는 세정 횟수가 늘어나게 됩니다. 

 

세정 공정은 습식과 건식으로 나뉘는데, 약 80% 정도는 세정액을 사용한 습식 공정으로 이루어집니다. 습식 세정 공정은 다시 batch 방식과 single 방식으로 나뉩니다. batch 방식은 여러 장을 한 번에 처리하기 때문에 속도가 빠른 대신 정확도는 떨어지게 됩니다. 3D 낸드 공정에 주로 사용됩니다. single 방식은 정확도가 높지만 한 장씩 처리하므로 속도가 느리다는 단점이 있습니다. 미세 공정에 유리합니다.

 

연마 공정과 세정 공정은 별개의 공정으로 나뉘는 게 아니고 이전의 모든 공정 단계 (포토, 식각, 이온주입, 증착)에 포함되어 진행됩니다. 각각의 단계에서 불순물이 나올 수밖에 없기 때문입니다. 

 

반도체 장비 부품 세정

반도체 공정 중 발생된 장비 내 부품의 오염물, 이온 불순물 등의 오염물 제거하는 과정입니다. 오염원과 오염물을 제거함으로써 부품 구매 비용을 절감할 수 있고 제품의 특성을 복원할 수 있습니다.

 

부품 코팅

부품 표면에 특수 코팅 처리를 통해 파티클 발생과 표면 손상을 억제하고 진공조건을 안정화시키는 과정입니다. 오염물이 덜 묻게 하고 부품을 보다 오래 쓸 수 있도록 도와줌으로써 제품 수명 연장, 수율 향상, 생산성 극대화의 효과를 발휘합니다. 

 

세정 공정 국내 밸류체인

• 세정장비: 제우스, 디바이스이엔지
• 세정재료: 한솔케미칼, 원익머티리얼즈
• 부품 세정/코팅 서비스: 코미코, 한솔아이원스, 원익QNC

 

6단계: 금속 배선

웨이퍼에 새겨진 회로가 작동하기 위해서는 전기가 필요한데, 금속 배선 공정은 전기가 통할 수 있도록 금속선을 만들어주는 과정입니다.

 

7-1단계: EDS (전공정 테스트 1)

EDS란 Electrical Die Sorting의 약자로 여기서 die는 회로가 제작되어 있는 하나의 칩을 의미합니다. EDS는 전공정 테스트의 첫 단계로, 전기적 특성 검사를 통해 칩의 품질 수준이 원하는 레벨에 도달했는지 검사하는 공정입니다. 후공정으로 넘기기 전에 시행하는 테스트 과정입니다. 주요 밸류체인으로는 와이아이케이가 있습니다.

 

7-2단계: 번인테스트 (전공정 테스트 2)

고온, 고전압의 스트레스 상황에서 웨이퍼가 제대로 작동하는지의 여부를 검사하는 과정입니다. 번인 테스트 장비업체들로는 엑시콘, 네오셈, 유니테스트, 디아이 등이 있습니다. 엑시콘과 네오셈의 경우 SSD 테스터를 생산합니다. 

 

7-3단계: 프로브 카드 (전공정 테스트 3)

프로브 카드는 웨이퍼 이송장치 (Prober)의 일부로 아주 가는 형태의 프로브핀이 일정 규격으로 부착되어 있는 형태입니다. 칩의 전기동작 상태를 점검하는 역할을 담당합니다. 프로브 카드 제조사로는 티에스이, 마이크로프랜드가 있습니다. 

 

프로브 카드의 구조를 보면, PCB에 프로브가 연결되어 있는데 그 사이를 SFT라는 스페이스 트랜스포머가 완충하고 있는 모양입니다.  SFT는 테스트 신호를 웨이퍼에 전달하고 프로브핀을 지지하며, PCB를 보호해 주는 역할을 담당합니다. SFT는 40층의 세라믹 기판으로 이루어져 있어 100만 번 이상의 테스트를 감당하도록 단단한 보호막의 역할을 하는데, 제조사로는 샘씨엔에스가 있습니다.

 

테스트 공정 국내 밸류체인 총정리

• 계측장비: 넥스틴, 오로스테크놀로지
• AFM: 파크시스템스
• 프로브 카드: 티에스이, 마이크로프랜드, 샘씨엔에스
• 테스트 핸들러: 테크윙
• 웨이퍼 테스트: 와이아이케이
• 번인테스트: 엑시콘, 네오셈, 유니테스트, 디아이

 

인프라 장비

반도체 인프라 장비의 중요성이 점점 커질 것으로 판단되는 이유는 세 가지가 있는데, 그 첫 번째는 글로벌 트렌드로 자리 잡고 있는 ESG입니다. ESG는 친환경장비에 대한 수요를 증폭시키기 때문입니다. 대표적인 장비로는 스크러버, 칠러 등을 들 수 있습니다. 두 번째 이유는 반도체 인프라 장비를 2차 전지, 태양광, OLED 등의 영역으로 확대 적용이 가능하다는 것입니다. 세 번째는 미국의 제조사 relocation에 따른 공급망 재편으로 인해 공장 설립이 증가할 것이라는 점입니다. 신규로 건설되는 공장마다 기본으로 인프라가 먼저 깔리게 되기 때문입니다.

 

반도체 인프라 장비 업체의 경우, 기술력이 높지 않다는 이유로 과거 지속적으로 낮은 밸류에이션을 받았습니다. 하지만 최근에는 앞서 이야기한 산업과 환경의 변화로 인해 점점 높은 밸류에이션을 받는 쪽으로 바뀌고 있습니다.

 

CCSS (배관)

CCSS는 Central Chemical Supply System의 약자이며 각각의 공정에서 요구하는 화학약품이 적재적소에 원하는 양만큼 공급되도록 하는 장치입니다. 주요 밸류체인으로는 한양이엔지, 에스티아이, 오션브릿지가 있습니다.

 

진공펌프

반도체 공정은 주로 진공상태에서 이루어집니다. 엘오티베큠이 대표적인 진공펌프 제조사입니다.

 

웨이퍼 이송

각 공정별로 웨이퍼를 옮겨주는 장비입니다. 싸이맥스가 주요 제조사입니다.

 

스크러버

유해 가스 등의 오염물을 제거해 주는 장비입니다. 밸류체인으로는 유니셈, GST, 지앤비에스엔지니어링이 있습니다.

 

칠러

반도체 공정시 온도를 조절해 주는 장비입니다. 밸류체인으로는 스크러버와 같은 유니셈, GST, 지앤비에스엔지니어링입니다.

 

클린룸

오염물을 최소화하기 위해 공정실 전체를 클린룸으로 만들기도 합니다. 세보엠이씨가 대표 제조사입니다.

 

피팅 부품

배관 및 장비들을 연결해 주는 부품을 의미합니다. 아스플로가 대표적인 제조사입니다.