반도체 공정과정과 관련주

반도체 공정과정과 관련주

반도체란? 어떤 조건하에서만 전류가 통하는 물질을 말한다. 이러한 반도체를 통해 만든 '다이오드', '트랜지스터', '캐패시터(콘덴서)' 등을 반도체소자반도체 소자라고 부른다.

반도체 8대 공정이라고 해서 웨이퍼 제조, 산화막 공정, 포토공정, 식각 공정, 박막 증착&이온주입, 금속배선, EDS (테스트) 공정, 패키징 공정으로 8개 공정이 있다. 금속 배선 공정까지가 전공정이고 테스트, 패키징 단계는 후공정이다. 그럼 각 공정별로 어떤 일을 하는지 알아보자.

 

 

웨이퍼 제조

웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미한다. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 만들어진다.

웨이퍼제조

여기서 잉곳이란 실리콘 원료를 열로 녹여서 고순도 실리콘 용액을 만들고 이것을 결정 성장시켜 굳힌 단결정 실리콘 기둥을 잉곳이라고 부르고 웨이퍼는 이 잉곳을 원판으로 자른 판이다. 웨이퍼 두께가 얇을수록 제조원가가 줄어들며, 지름이 클수록 한 번에 생산할 수 있는 반도체 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세다.

산화공정

산화공정

웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막(SiO₂)을 형성해 회로와 회로사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단한다. 산화막은 또한 이온주입공정에서 확산 방지막 역할을 하고, 식각공정에서는 필요한 부분이 잘못 식각 되는 것을 막는 식각 방지막 역할을 한다. 즉, 산화공정을 통해 형성된 산화막이 반도체 제조과정에서 든든한 보호막 역할을 한다.

포토(노광)공정

노광공정

포토공정은 도포, 노광, 현상으로 세부공정이 나뉜다.

웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액(PR, Photo Resist)을 골고루 바르는 작업(도포)을 하고 노광은 노광장비 EUV(1대에 2,000억)를 이용해 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 그리는 과정이다. 이 패턴에 따라서 CPU가 되기도 하고 GPU가 되기도 한다.

마지막으로 현상 단계에서는 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광 된 영역과 노광 되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 형성하는 공정이다.

 

반도체 미세화의 핵심이 EUV 장비다. 근데 고해상도 광원의 노광기 하나의 가격이 엄청나게 비싸고 공급도 부족하다. ASML에서 1년에 생산되는 게 60대 언더이다.

 

참고 : 현재 세계 유일의 EUV 노광기 제조업체는 ASML이다.

식각 공정

식각공정

필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 과정이다. 이때 사용하는 소재가 일본 정부가 우리나라 기업에 대해 수출규제를 한 불화수소다. 식각 방법은 부식성 액체를 사용한 Wet 방식은 속도는 빠른데 정교하지는 못하고 플라즈마 같은 에너지가 높은 입자를 쏘는 Dry 방식은 비싸지만 정교하다. 반도체 밀도를 올리기 위해 식각 과정에서 중요한 것은 깊게 수직에 가깝게 파내는 것이다. 최근에는 나노 단위로 고집적화되는 반도체 기술 변화에 따라 회로선폭 역시 미세해지고 있어서 수율을 높이기 위한 방법으로 습식(Wet)보다는 건식(Dry) 식각이 확대되고 있다.

박막 증착&이온주입공정

반도체 증착구조

산화와 비슷한 목적으로 특정 영역을 보호하기 위해 웨이퍼 윗부분에 박막(Thin Film)을 입히는 박막 증착(Deposition) 과정은 얼마나 얇고 균일하게 입히느냐가 반도체 품질을 결정한다.

이온 주입 과정은 이온을 미세한 가스 입자로 만들어 원하는 깊이만큼 웨이퍼 전면에 균일하게 넣어 반도체에 전도성을 갖게 해주는 과정이다. 이때 15족 원소를 주입하면 n형 반도체가 되고, 13족 원소를 주입하면 p형 반도체가 된다.

 

박막(thin film) : 단순한 기계 가공으로는 실현 불가능한 1 마이크로미터(μm, 100만 분의 1미터) 이하의 얇은 막을 뜻 한다.

금속배선공정

금속배선공정

소자들을 상호 연결하여 회로의 기능을 갖도록 하는 과정으로 회로 패턴을 따라 알루미늄으로 전기 길을 만드는 금속 배선을 이어준다. 이때 알루미늄(Al)은 실리콘(Si)과 만나면 서로 섞이려는 성질을 가지고 있어서 알루미늄과 웨이퍼 접합면 사이에 장벽(Barrier) 역할을 하는 금속을 증착하는데, 이를 베리어 메탈(Barrier Metal)이라고 한다.

여기까지 마치면 (전공정) 웨이퍼에 칩들이 격자모양으로 만들어져 있는 아래 그림 같은 녀석이 나오게 된다.

EDS 공정

EDS 공정

반도체의 수율을 높이기 위해 반드시 필요한 공정으로 전기적 특성검사를 통해 개별 칩들이 원하는 품질 수준에 도달했는지를 확인하는 공정이다. EDS는 4단계로 세분화시킬 수 있다.

1단계 – ET Test & WBI(Electrical Test & Wafer Burn In)

ET Test(Electrical Test)는 반도체 집적회로(IC) 동작에 필요한 개별소자들(트랜지스터, 저항, 캐패시터, 다이오드)에 대해 전기적 직류전압, 전류 특성의 파라미터를 테스트하여 동작 여부를 판별하는 과정이다.

이어지는 WBI공정(Wafer Burn In)은 웨이퍼에 일정 온도의 열을 가한 다음 AC(교류)/DC(직류) 전압을 가해 제품의 결합, 약한 부분 등 잠재적인 불량 요인을 찾아냅니다. 제품의 신뢰성을 효과적으로 향상하는 공정입니다.

2단계 – Hot/Cold Test

Hot/Cold 공정에서는 전기적 신호를 통해 웨이퍼 상의 각각의 칩 중 불량품이 있는지 판정한다. 

3단계 – Repair / Final Test

Repair 공정은 EDS공정에서 가장 중요한 단계인데 수선 가능으로 판정된 칩들을 수선하고, 수선이 끝나면 Final Test 공정을 통해 수선이 제대로 이루어졌는지 재차 검증하여 양/불량을 최종 판단한다.

4단계 – Inking

Inking 공정은 불량 칩에 특수 잉크를 찍어 육안으로도 불량을 식별할 수 있도록 만드는 공정을 의미한다.

패키징 공정

패키징 공정

반도체 칩을 탑재될 기기에 적합한 형태로 만드는 패키징 공정이 있다.

 

우선 웨이퍼를 낱개의 칩으로 분리하는 웨이퍼 절단 작업을 해야 하는데 웨이퍼를 톱질하고 잘라낸다는 의미에서 ‘웨이퍼 소잉(Wafer Sawing)’이나, ‘다이싱(Dicing)’이라 불린다.

 

절단된 칩들은 리드프레임(Lead Frame) 또는 PCB(Printed Circuit Board) 위에 옮겨진다. 리드프레임은 반도체 칩과 외부 회로 간 전기신호를 전달하고, 외부 환경으로부터 칩을 보호, 지지해주는 골격 역할을 합니다.

 

그다음 반도체의 전기적 특성을 위해 기판 위에 올려진 반도체 칩의 접점과 기판의 접점을 가는 금선을 사용하여 연결하는 과정을 거친다.

 

금속 연결 공정까지 끝나면 열, 습기 등의 물리적인 환경으로부터 반도체 집적회로를 보호하고, 원하는 형태의 패키지로 만들기 위한 성형(Molding) 공정을 거치고, 금선 연결까지 끝난 반도체 칩을 화학 수지로 밀봉하는 공정을 거치면 우리가 흔히 보는 반도체가 된다.

 

 

 

 

공정별 주요 기업

반도체 공정별로 관련주를 도식화했는데 개인적으로 여기서 국내 1위 기업이거나 혜자가 있다고 판단되는 기업을 정리해봤고 기업분석 편에서 상세하게 다룰 예정이다.

 

엘오티베큠 : 진공펌프 업계 1위

피에스케이 : 스트립 장비 분야 1위 (기존 메모리에 집중했던 스트립 장비는 시스템 반도체까지 확대)

유니셈 : 반도체와 디스플레이 생산 공정에서 발생하는 유해가스 처리 장비인 스크러버 시장 1위 

월덱스 : 실리콘 전극(Silicon Electrode) 국산화 기업, 실리콘 일괄 생산체계 구축

원익QnC : 반도체 공정용 석영유리(쿼츠 웨어·Quartz Ware) 국내 1위 제조사

솔브레인 : 반도체 및 디스플레이 화학재료 등을 제조 및 판매

티씨케이 : 웨이퍼를 고정시키는 SiC 링 시장을 사실상 독점

SFA 반도체 : 후공정 분야인 반도체 조립 및 TEST제품 판매

리노공업 : probe pin과 IC소켓이라 불리는 테스트 부품 판매 (probe pin에 대한 경쟁우위)

테스나 : 후공정 테스트 중에서도 웨이퍼 테스트 분야에서 강점 보유

코리아써키트(도식표에 없음) : PCB(인쇄회로기판) 전문 생산업체

제우스(도식표에 없음) : 반도체 습식 세정장비

 

반도체 공정별 관련주 - 출처:이베스트투자증권