이번 포스팅에서는 반도체 공정과 가치사슬(밸류체인)에 대해서 정리해 보았다.
반도체 공정
반도체는 실리콘 재질의 원판인 웨이퍼 위에 회로를 그려서 만들어진다. 세부 과정은 다음 그림과 같다.
이제 각각에 대해서 자세히 살펴보자.
웨이퍼 제조
1. 웨이퍼란?
실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것을 기둥 모양으로 굳혀서 만든 것을 잉곳이라 한다. 웨이퍼는 잉곳을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미한다.
2. 웨이퍼 제조 과정
웨이퍼는 잉곳을 먼저 만든 다음 이를 절단하여 원판을 얻은 후 원판의 표면을 매끄럽게 만들고 나서야 탄생한다.
(1) 잉곳 만들기
모래에서 추출한 실리콘의 순도를 높이기 위해 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만든다. 그리고 이 용액을 결정 성장시켜 기둥모양으로 굳힌다. 이렇게 만들어진 것이 잉곳(Ingot)이다.
(2) 잉곳 절단
이제 잉곳의 뾰족한 양 끝 부분을 제거하여 원기둥으로 만든 뒤 다이아몬드 톱을 이용하여 잉곳을 절단한다. 이렇게 하면 여러 장의 원판이 만들어진다. 이때 만들어진 원판이 (가공 전) 웨이퍼가 되는 것이다.
(3) 웨이퍼 표면 연마
절단 직후의 웨이퍼는 표면에 흠결이 있고 거칠어서 초정밀 회로를 만드는데 영향을 끼칠 수 있다. 따라서 웨이퍼 표면을 매끄럽게 해줘야 하는데 이 과정을 '연마'라고 한다.
3. 웨이퍼 시장 특징
원래는 웨이퍼를 제조하는 업체가 16개 있었으나 지금은 상위 5개 회사(Shin-Etsu, SUMCO, SK 실트론, Siltronic, GW)로 재편되었다. 아래표는 웨이퍼 제조 부문 상위 5개 회사의 18~22년까지 시장 점유율을 나타낸 것이다.
웨이퍼는 반도체 필수 원재료로 적정 물량 확보가 필요하다. 웨이퍼 공급 계약은 주로 장기 계약을 한다. 웨이퍼 판매단가의 변동성은 제한적이고 공급자 우위 시장이다.
산화 공정
1. 산화 공정이란
산화 공정은 웨이퍼 위에 산화막을 만드는 공정이다. 산화막을 만드는 이유는 1) 회로와 회로사이에 누설전류가 흐르는 것을 막고, 2) 이온주입공정에서 확산 방지막 역할을 하며, 3) 식각공정에서는 필요한 부분이 잘못 식각되는 것을 막는 역할을 하기 때문이다.
반도체 제조과정에서는 아주 작은 불순물도 집적회로의 전기적 특성에 치명적인 영향을 미치기 때문에 산화막을 통해 불순물이 들어오는 것을 막는 것이다.
산화막을 만드는 방법은 열산화(Thermal Oxidation), 플라스마 보강 화학적 기상 증착(PECVD), 전기 화학적 양극 처리 등 여러 종류가 있다. 가장 보편적인 방법은 섭씨 800~1200도의 고온에서 얇고 균일한 실리콘 산화막을 만드는 열산화 방법이다.
2. 산화 공정 밸류 체인
산화 공정에서는 짧은 시간 내 웨이퍼를 고온 처리하여 산화막을 생성을 돕는 RTP(Rapid Thermal Processing) 장비가 필요하다. 또한 산화막을 만드는 과정에서 산화된 산화막을 제거하는 드라이클리닝 장비가 필요한데 이는 PSK에서 만든다.
포토 공정
1. 포토 공정이란?
반도체 웨이퍼 위에 회로를 그리는 공정으로 반도체 공정 중에서 가장 난이도가 높고 중요하다. 포토 공정은 감광액 도포, 노광, 현상 총 3가지 과정을 거친다.
(1) 감광액 도포
먼저 웨이퍼 위에 감광액을 골고루 바른다. 이때 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광액(PR : Photo Resist) 막이 얇고 균일해야 하며 빛에 대한 감도가 높아야 한다고 한다.
(2) 노광
다음으로 노광장비(Stepper)를 사용해 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 찍어낸다. 이때 마스크에서 웨이퍼에 바로 회로를 그리는 것은 아니고 렌즈를 한번 거치게 된다. 왜냐하면 반도체 칩이 작으므로 그에 따라 회로를 미세하게 그려야 하는데 마스크의 크기를 줄일 수 없기 때문이다. 따라서 마스크의 크기는 그대로 하고 렌즈를 통해 노광 면적을 축소시켜서 미세한 회로를 만들게 된다.
(3) 현상
노광까지 마치면 웨이퍼 위에 있는 감광액은 노광된 영역과 노광되지 않은 영역으로 나뉜다. 이때 현상액을 뿌려서 노광된 감광액을 선택적으로 제거한다. 이것이 현상 과정이다.
2. 포토 공정 밸류 체인
포토 공정은 주로 DUV(Deep Ultraviolet)와 EUV(Extra Ultraviolet) 광원을 쓴다. DUV는 두꺼운 회로, EUV는 미세 회로를 그릴 때 사용한다고 한다. DUV는 ArF(193nm), KrF(248nm) 광원을 사용하며 이러한 광원을 사용하는 노광 장비 업체는 ASML(80%), 니콘이 있다. EUV는 13.5nm 또는 7nm 이하의 미세공정에 도입된 광원으로 이러한 광원을 사용하는 노광 장비 업체는 ASML(100%)이며 여기에 들어가는 광원은 사이머라는 회사에서 만든다. 그 외의 업체들은 다음과 같다.
마스크 - 에스앤에스텍
펠리클(마스크 보호 부품) - 에스앤에스텍, 에프에스티
감광액 - 동진쎄미켐, 영창케미칼, 이엔에프테크(원료)
PR Strip(감광액 제거 장비) - 피에스케이
마스크 결함 발견 - 파크시스템즈
식각 공정
1. 식각 공정이란?
포토 과정을 거친 웨이퍼에 회로를 만들기 위하여 액체 또는 기체를 이용하여 불필요한 부분을 제거하는 과정이다.
식각이 끝나면 위에 붙어있는 감광액을 마저 제거한다. 식각 방법에는 습식과 건식이 있다. 건식 식각은 반응성 기체, 이온 등을 이용하 특정 부위를 제거하는 방법이고 습식 식각은 용액의 화학적인 반응을 통해 특정 부위를 제거하는 방법이다.
2. 식각 공정 밸류 체인
쿼츠, 파츠는 식각 부품, 스크러버는 반도체 공정과정에서 발생하는 유해가스 제거, 전구체는 화학반응을 통해 식각이 될 수 있도록 하는 유기금속 화학물
식각액 - 솔브레인, 이엔에프테크놀로지
쿼츠 - 원익 QNC, 비씨엔씨(합성)
파츠(Before) - 하나머티리얼즈(SiC), 티씨케이(SiC)
파츠(After) - 월덱스(Si), 케이엔제이(SiC)
전구체 - 디엔에프, 한솔케미칼
PR Strip - 피에스케이
특수가스 - 원익머트리얼즈
스크러버 - 유니셈, GST
건식장비 - 램리서치, 에이피티씨
습식장비 - DMS
증착 & 이온 주입 공정
1. 증착 공정이란?
웨이퍼 위에 원하는 분자 또는 원자 단위의 물질을 박막의 두께(보통 1㎛ 이하)로 입히는 과정을 증착 공정이라고 한다.
증착 방법에는 물리적 기상증착방법(PVD : Physical Vapor Deposition), 화학적 기상증착방법(CVD : Chemical Vapor Deposition)이 있다. 반도체에서는 CVD를 주로 사용한다. CVD 중에서도 플라스마 CVD는 저온에서 형성이 가능하고 두께 균일도를 조절할 수 있으며 대량 처리가 가능하다는 장점 덕분에 최근에 가장 많이 이용되고 있는 방법이다. 아래 그림은 CVD 과정을 나타낸 것이다.
또한 원자층증착방법(ALD : Automic Layer Deposition)이 떠오르고 있다고 한다. 다음은 PVD, CVD, ALD를 각 항목별로 비교한 것이다. 파란색은 좋은 거고 빨간색은 나쁜 것!
2. 이온 주입 공정이란?
부도체 상태인 반도체를 전류가 흐르는 전도성을 띄게 만들기 위해 불순물(이온)을 주입하는 과정을 말한다.
이온 주입은 이온을 포함한 빔을 웨이퍼에 쏴서 원하는 깊이까지 주입한 다음 열처리를 통해 이온 배열을 마무리하게 된다.
3. 증착 & 이온 주입 공정 밸류체인
CVD : 장비 원익IPS, 테스, 주성엔지니어링
ALD : 원익IPS, 유진테크, 주성엔지니어링, 지오엘리먼트(부품)
High-K 소재 : 디엔에프, 레이크머티리얼즈, 덕산테코피아
High-K 장비 : HPSP
소모성 부품 - 원익 QNC, 월덱스
연마 공정
1. 연마 공정이란?
반복되는 증착으로 인해 표면이 울퉁불퉁해지는데 이를 방지하기 위해 표면을 다듬는 과정을 연마 공정이라 한다. 보통 CMP(Chemical Mechanical Polishing)라 한다.
연마는 회전하는 패드 위에 웨이퍼를 올려놓고 그 위에 연마제(CMP Slurry)를 뿌린다. 그리고 웨이퍼에 압력을 가한다. 연마제에 의한 화학작용과 회전에 의한 물리작용으로 웨이퍼가 평평해지고 박막의 두께가 균일해진다.
2. 연마 공정 밸류체인
CMP 장비 - 케이씨텍
CMP Slurry - 케이씨텍, 솔브레인
세정 공정
1. 세정 공정이란?
웨이퍼에 포함된 불순물을 제거하는 공정이다.
공정의 미세회로 인해 미세한 파티클, 미량의 금속 오염 제거가 중요하다. 세정을 통해 자연 산화막, 유기물, 파티클, 금속 불순물 등을 제거한다. 전체 반도체 공정의 30%를 차지. 습식 세정 비중이 높다.
습식 세정은 Batch, Single 방식이 있다. 여러 장을 묶어서 하거나 한 장씩하거나 Batch 방식은 여러장을 한 번에 처리하므로 속도가 빠르나 세정 정확도가 낮다. Single은 정확도는 높지만 한장씩 처리하므로 속도가 낮다.
반도체를 세정하는 것도 있지만 반도체 장비 부품을 세정하는 것도 있다. 부품 표면에 파티클 발생과 표면 손상을 방지하기 위한 코팅 처리도 있다.
2. 세정 공정 밸류체인
세정 장비 - 제우스, 디바이스이엔지
세정재료 - 한솔케미칼, 원익머티리얼즈
부품 세정/코팅 서비스 - 코미코, 한솔아이원스, 원익 QNC
금속배선
1. 금속배선 공정이란
공정을 반복하면 수많은 회로가 생성되는데 이러한 회로를 동작하기 위해선 전기가 필요하다 이때 전기가 통할 수 있게 금속선을 만들어주는 공정을 금속배선 공정이라 한다.
금속배선에는 특별한 밸류체인은 없다.
전공정 테스트 EDS/ 번인테스트/ 프로브 카드
1. EDS
EDS(Electrical Die Sorting)는 전기적 특성을 검사하여 칩들의 품질 수준이 원하는 레벨에 도달했는지 검사하는 공정이다.
2. 번인테스트
가혹조건에서도 반도체들이 견딜 수 있는지 여부를 검사하기 위한 것으로 고온, 고전압의 상황에서 반도체가 제대로 작동하는지 여부를 검사하는 과정이다.
3. 프로브 카드
아주 얇은 프로브핀을 웨이퍼에 일정 규격으로 부착한 뒤 반도체 칩의 전기동작 상태를 점검한다.
4. 밸류체인
계측장비(웨이퍼 포면 균일도 검사 등) - 넥스틴, 오로스테크놀로지
AFM - 파크시스템스
EDS - 와이아이케이
테스트 핸들러(웨이퍼를 검사 장비에 옮겨주는 것) - 테크윙
번인테스트 장비 - 엑시콘, 네오셈, 유니테스트, 디아이
프로브카드 - 티에스이, 마이크로프랜드
프로브카드 SFC - 샘씨엔에스
출처
1. 삼성 반도체 뉴스룸
2. 서울경제 - https://m.sedaily.com/NewsView/29TFHKEZ7R
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