반도체 8대 공정: 반도체 초보 투자자 필수 지식

반도체 산업에 투자 많이들 하고 계시지요? 우리나라 대표 산업이 반도체이다 보니, 삼성전자, sk하이닉스를 비롯한 여러 반도체 회사에 투자하고 있는 분들이 많으실 것이라고 생각합니다. 오늘은 반도체에 투자하고 계신다면 꼭 알고 있어야 하는 ‘반도체 8대 공정’에 대해 정리해보았습니다. 저도 반도체에 비중을 실어 투자하고 있는데, 요즘 반도체 주식이 이렇게 떨어져도 되나 싶을 정도로 참 좋지 못합니다. 이런 가슴 아픈 장에서 주식창 보면서 손절의 유혹에 흔들리지 마시고, 저와 함께 반도체 공부 해보시는 건 어떠신가요? 반도체 8대 공정 시작해보겠습니다.

반도체 8대 공정

반도체 산업에 대해 공부하다 보면, ‘반도체 8대 공정’이라는 용어를 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 반도체 8대 공정을 요약하여 설명하면 아래 표와 같습니다.

반도체 8대 공정 중, 웨이퍼 제조, 산화, 포토, 식각, 증착, 금속 배선 공정, EDS 공정을 ‘전공정’ 이라고 하고, 테스트&패키징 공정을 ‘후공정’ 이라고 합니다. 하지만 반도체 공정이 꼭 순서대로 이루어지는 것은 아닙니다. 포토 공정을 거친 후 다시 산화 공정을 갈 수도 있고, 증착 공정을 마친 후 다시 포토 공정을 할 수도 있습니다. 각 반도체 제품에 따라 필요한 공정을 왔다갔다 하면서 시행하는 것이니, 8개의 순서대로 반도체 공정이 진행되는 것은 아니다라는 것을 알아주시면 됩니다. 그럼 이제 각 공정별로 간단하게 설명드리도록 하겠습니다.

웨이퍼 제조 Wafer Fabrication

반도체 소자를 형성하기 위한 실리콘 기판을 만드는 작업을 ‘웨이퍼 제조’라고 합니다. 웨이퍼는 단결정 실리콘 기둥인 ‘잉곳’을 절단하여 만듭니다. 반도체 회사는 제조된 웨이퍼를 구입하여 사용합니다.

웨이퍼를 제조하는 회사애는 Shin-Etsu, SUMCO, SK 실트론, Siltronic이 있습니다. 반도체 활용도가 넓어짐에 따라 웨이퍼 수요도 계속 증가하고 있는 추세입니다.

산화 공정 Oxidation

800도~1200도의 고온 상태에서 웨이퍼에 산소나 수증기를 투입하여 웨이퍼 위에 얇은 산화막을 형성시키는 공정을 ‘산화’ 공정이라고 합니다. 쉽게 말해 웨이퍼에 산소를 넣고 굽는 과정이라고 할 수 있습니다. 산화 공정은 산화실리콘(SiO₂)을 만드는 것이 주 목적입니다. 산화막은 웨이퍼를 보호하고 전류를 차단하는 역할을 합니다. 산화 공정은 반도체 제조 중 중간중간 필요한 단계에 투입될 수 있습니다.

산화실리콘(SiO₂)은 우리가 주변에서 볼 수 있는 유리와 같은 물질입니다. 유리는 전기가 통하지 않고 튼튼하다는 특징을 가지고 있습니다. 따라서 산화실리콘 형성을 통해 웨이퍼에 전기를 차단시키고, 웨이퍼를 물리적으로 보호하는 역할을 수행할 수 있습니다.

관련 기업으로는, 짧은 시간에 웨이퍼를 고온으로 처리하는 RTP 장비를 다루는 원익IPS와 AP시스템이 있습니다. 또, 웨이퍼를 산화시키기 전에 불순물을 제거하는 드라이클리닝 장비 회사 피에스케이가 있습니다.

포토 공정 Photo Lithography

포토 공정은 노광 공정이라고도 이야기합니다. 포토 공정은 반도체 제조의 ‘꽃’ 이라고 할 수 있습니다. 그만큼 반도체 제조에 가장 난이도가 높고 중요한 공정입니다. 포토 공정은 웨이퍼 위에 회로를 그리는 공정으로, 가릴 곳은 가리고 드러낼 곳은 드러내는 표면의 선택적 처리를 위한 작업입니다.

웨이퍼에 감광액(포토레지스트)을 바르고 노광장비를 이용해 마스크를 웨이퍼에 찍어주면 웨이퍼에 회로가 그려집니다. 여기서 ‘마스크’는 팹리스 회사에서 제공하는 설계도를 이야기하고, 마스크가 미리 만들어져 있어야 노광 공정이 가능합니다. 마스크를 찍어준 후에 감광액을 다시 제거하면 노광 공정이 마무리됩니다.

노광장비로는 DUV와 EUV가 있습니다. DUV 대표 회사로는 니콘과 ASML이 있고, EUV 회사에는 ASML이 있습니다. EUV는 특히 미세 공정에 필요한 노광장비라서 1대 당 가격이 2000억에 달할 정도로 비싸고, 구하기도 어렵습니다. ASML만이 EUV를 만들 수 있는데, 1년에 만들 수 있는 갯수도 몇 대 되지 않는다고 합니다. ASML이 글로벌 반도체 장비 회사 탑인 이유가 여기에 있습니다.

감광액을 만드는 회사에는 동진쎄미켐, 영창케미칼이 있고, 이엔에프테크는 감광액의 원료를 만듭니다. 피에스케이는 감광액 제거 장비인 PR Strip을 만드는 세계 1등 회사이고, 파크시스템즈는 마스크에 결함이 있는지를 검사하는 장비를 만드는 회사입니다.

포토마스크를 만드는 회사로는 에스앤에스텍, 마스크를 보호하는 펠리클을 만드는 회사로는 에스앤에스텍, 에프에스티가 있습니다.

식각 공정 Etching

웨이퍼에 식각 물질을 반응시켜서 필요하지 않은 부분을 선택적으로 깎아내는 공정을 ‘식각’ 공정이라고 합니다. 즉, 회로를 제외한 나머지 부분을 깎아내는 과정입니다. 부식액을 이용하는 습식 방식과 이온을 이용하는 건식 방식이 있습니다. 식각 공정의 핵심은 깊게, 수직에 가깝게 파는 것입니다.

반도체가 미세화되면서 부품 교체주기가 짧아졌고, 부품 연간 필요량이 늘어났습니다. 식각 장비 부품 회사 입장에서는 호재라고 할 수 있지요. 식각 장비 부품에는 쿼츠, 합성쿼츠, Si 파츠, SiC(실리콘카바이드) 파츠가 있습니다. 쿼츠는 웨이퍼를 보호하는 역할을 하고, 합성쿼츠는 천연쿼츠의 단점을 보완한 부품입니다. 파츠도 웨이퍼를 보호하고 식각 공정에서 플라즈마 밀도를 균일하게 해주는 소모성 부품입니다. Si 파츠는 D램 위주로 사용하고, 가격이 저렴하나 강도가 약합니다. SiC파츠는 낸드 위주로 사용하고, 가격이 비싸고 충격에 강합니다. Before 파츠가 마진이 좀 더 놓고, After 파츠는 상대적으로 저마진입니다. DRAM 미세화와 NAND 고단화로 식각 공정이 늘어나게 되었고, 이에 사용되는 부품 수요도 점점 커질 것으로 예상됩니다.

식각액 관련 기업으로는 솔브레인, 이엔에프테크놀로지가 있습니다. 식각 장비의 소모성 부품에는 쿼츠와 파츠가 있는데, 쿼츠 관련 기업에는 원익QNC, 비씨엔씨가 있고, 장비 회사에 파츠를 납품하는 회사(Before)로는 하나머티리얼즈(SiC), 티씨케이(SiC), 교체용 파츠(After) 회사에는 월덱스(Si), 케이엔제이(SiC)가 있습니다.

식각 소재 중 전구체 회사로는 디엔에프와 한솔케미칼이 있고, 특수가스 공급 회사로는 원익머티리얼즈가 있습니다. 오염물질을 제거하는 스크러버 장비와 온도를 낮춰주는 칠러 장비 기업으로는 유니셈과 GST가 유명하고, 식각 건식 장비 만드는 회사로는 램리서치, 에이피티씨가 있으며, 습식 장비 회사로는 DMS가 있습니다.

증착 & 이온주입 공정 Deposition & Ion Implatation

‘증착’ 공정은 웨이퍼 위에 매우 얇은 막인 박막을 씌워주는 공정입니다. 박막은 1마이크로미터(100만분의 1미터)에 달할 정도로 매우 얇은 막을 이야기하고, 증착 공정은 박막을 균일하게 입혀야 하기 때문에 정교한 기술이 필요합니다.

증착 공정은 산화 공정하고 비슷하다고 볼 수 있지만, 증착 공정에서 형성하는 박막이 산화막보다 훨씬 얇고, 증착 공정에서는 실리콘이 아닌 물질 위에도 막을 씌울 수 있습니다. 박막을 씌우는 목적은 산화막과 비슷하게 단절과 보호입니다.

반도체에 박막을 입히는 대표적인 방법으로는 3가지가 있습니다. 물리적 증기증착(PVD), 화학적증기증착(CVD), 원자층 CVD(ALD)입니다. ALD 방식에는 High-K 물질이 필요한데, High-K 물질은 유전율이 높아 누설되는 전기량이 줄어들도록 하는 역할을 합니다.

CVD 장비 회사로는 원익IPS, 테스, 주성엔지니어링, ALD 장비 회사로는 원익IPS, 유진테크, 주성엔지니어링이 있고, 지오엘리먼트는 ALD 장비 부품 회사입니다. High-K 소재 기업에는 디엔에프, 레이크머티리얼즈, 덕산테코피아, High-k 장비 기업에는 HPSP가 있습니다. 그리고 증착 소모성 부품 회사에는 원익QNC와 월덱스가 있습니다.

‘이온주입’ 공정은 웨이퍼에 불순물을 이온(+,-) 형태로 주입하여 반도체가 전기적인 성질을 가질 수 있도록 하는 과정입니다. 순수한 실리콘 웨이퍼는 전기가 통하지 않으므로, 이온주입 공정을 통해 비로소 반도체의 성질을 갖게 됩니다.

금속배선 공정 Metallization

‘금속배선’ 공정은 전기가 통할 수 있도록 금속선을 만들어주는 공정입니다. 작은 트랜지스터들을 의미있게 연결해주는 공정으로, 트랜지스터의 밀도를 정하는 중요한 공정입니다. 하지만 금속배선 공정은 단일 공정이 아닙니다. 노광, 증착, 식각 공정 중에도 모두 사용되는 공정입니다.

또한 공정 중간 중간 필요할 때 쓰이는 몇 가지 공정들이 있습니다.

연마 공정은 여러 공정을 거치면서 울퉁불퉁해진 표현을 평평하게 연마시키는 과정을 이야기합니다. 연마 공정에 사용되는 CMP 장비 대표 기업에는 케이씨텍이 있고, CMP Slurry(소재) 기업으로는 케이씨텍과 솔브레인이 있습니다.

세정 공정은 불순물과 오염물을 제거하는 공정입니다. 세정하는 방식으로는 한 장씩 세정하여 세정 정확도가 높은 Single 방식과, 여러 장씩 한 번에 세정하여 속도가 빠른 Batch 방식이 있습니다. 세정 장비 기업으로는 제우스, 디바이스이엔지가 있고, 세정 재료 관련 기업으로는 한솔케미칼, 원익머티리얼즈가 있습니다. 코팅(표면 손상을 줄이도록 코팅하는 작업) 관련 기업에는 코미코, 아이원스, 원익QNC가 있습니다.

EDS(Electric Die Sorting)공정

반도체 검사는 웨이퍼 검사, 패키징 검사, 모듈 검사의 3단계로 이루어집니다. 이 중 전공정에서 이루어지는 웨이퍼 검사가 EDS 공정입니다.

EDS 공정은 다이(웨이퍼 조각)를 테스트하며, 필요하면 수리도 하는 공정을 말합니다. 테스트를 통해 양품과 불량품을 골라내고 수율 검사를 할 수 있습니다. 수율은 (실제 생산된 정상 칩 수 / 설계된 최대 칩 수)*100을 계산하여 구할 수 있습니다.

테스트 공정 밸류체인을 살펴보도록 하겠습니다. 웨이퍼 테스트를 하는 대표 기업으로는 와이아이케이가 있습니다. 고온, 고압을 웨이퍼에 인위적으로 주어 잘 견디는지 확인하는 번인테스트 장비 관련 기업으로는 엑시콘, 네오셈, 유니테스트, 디아이가 있습니다. 이 중 엑시콘과 네오셈은 SSD 테스터 장비를 주로 다룹니다. 테스트에 사용되는 프로브카드 관련 기업에는 티에스이, 마이크로프랜드가 있고, 프로브카드에서 완충작용을 하는 SFT 관련 기업에는 샘씨엔에스가 있습니다. 또한, 테스트공정 계측 장비 기업에는 넥스틴과 오로스테크놀로지가 있고, AFM 관련 기업으로는 파크시스템즈, 테스트 핸들러 기업으로는 테크윙이 있습니다.

패키징 & 테스팅 Packaging & Testing

칩을 보호하고 연결하여 반도체로 사용 가능하도록 포장하는 패키징 과정을 거친 후, 테스트를 해서 최종 제품으로 출하합니다. 패키징을 하는 과정을 살펴보면, 먼저, 웨이퍼에 있는 칩을 절단합니다. 둘째, 칩을 PCB 기판 위에 접착합니다. 셋째, 칩과 기판을 금속으로 연결하는 본딩 작업을 합니다. 넷째, 제품명을 새기는 마킹 작업과 최종 패키징을 합니다.

이 중 연결(본딩) 과정이 중요한데, 본딩 방식으로는 와이어본딩, 플립칩(FC), 3D패키징(TSV)이 있습니다. 와이어본딩은 속도가 느리고, 플립칩은 속도가 빠르면서 저전력이라는 특징을 가지고 있습니다. 3D패키징은 고속, 저전력, 고밀도, 고사양의 특징을 가지고 있어 미세 반도체에 적합한 방식입니다.

패키징을 마친 후 소켓에 꽂아서 최종 테스트를 하게 됩니다. 이 최종 테스트에 합격하면 본격적으로 출하를 할 수 있습니다. 반도체 소켓은 단가가 상승하고 있고 수요가 증가하고 있어 시장이 점점 커지고 있습니다. 이에 따라 테스트 소켓 관련 기업인 리노공업과 ISC, 티에스이의 전망이 점점 좋아질 것이라 생각됩니다. 리노공업은 포고타입 소켓을 주로 하고 있고, ISC와 티에스이는 실리콘 러버 타입 소켓을 주로 하고 있습니다.

다이싱 관련 기업으로는 이오테크닉스와 한미반도체, 3D본딩 관련 기업은 한미반도체, 금속 와이어 관련 기업에는 엠케이전자, 숄더볼 관련 기업은 덕산하이메탈, 리드프레임 관련 기업은 해성디에스, 마킹 관련 기업은 이오테크닉스, 리플로우 관련 기업은 피에스케이홀딩스, 에스티아이, 기판 관련 기업에는 대덕전자, 심텍, 코리아써키트가 있습니다.

이 글을 마치며

지금까지 반도체 8대 공정과 각 공정별 관련 기업에 대해 자세히 알아보았습니다. 반도체는 웨이퍼 제조, 산화, 포토, 식각, 증착, 이온주입, 금속배선, EDS, 패키징과 테스팅 공정을 통해 만들어지고, 이 공정들은 필요에 따라 순서대로 진행되지 않기도 합니다. 각 공정별로 소재와 장비 관련 다양한 반도체 기업들이 있고, 이 기업들의 협력 과정을 통해 삼성전자와 SK하이닉스에서는 반도체를 제조하고 있습니다.

반도체에 투자하고 있다면, 또 투자하고 싶다면 꼭 알아야 하는 개념들입니다. 우리나라 주식의 1/4이 반도체 주식이기 때문에 대한민국 주식 투자자라면 반도체에 대한 공부는 필수적으로 해두어야 합니다. 복잡한 것처럼 보이지만 차근차근 읽어나가다 보면 반도체를 공부하는 데 많은 도움이 되실 것입니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.

+염승환 함께 배우기 반도체 편 콘텐츠와 삼성전자 반도체 공정 콘텐츠를 통해 공부하고 정리해본 글입니다. 함께 살펴보시면 이해가 훨씬 쉬우실 것입니다.

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