반도체 공정, 웨이퍼제조부터 노광공정까지 - 투자를 위한 반도체 테마 지식 - Part 9

 

반도체는 여러 복잡한 공정을 거쳐 완성된다. 삼성전자는 반도체 제조 공정을 8단계로, SK하이닉스는 5단계로 정리하고 있으며, 전체 공정은 전공정과 후공정으로 나뉜다.

• 전공정: 산화 공정부터 금속 배선 공정까지의 단계로, 반도체 칩을 실제로 제조하는 과정이다.
• 후공정: 전기적 특성 검사 및 패키징, 테스트(OSAT) 등 반도체를 최종 제품으로 완성하는 과정이다.

특히, 미세 공정이 발전하면서 세정 공정과 CMS(화학 기계적 연마) 공정의 중요성이 확대되고 있다.

 

반도체 공정 요약 (자료: 삼성전자 자료를 기반으로 블로거가 정리)

 

각 공정별 대표 기업들 (자료: 업계자료, 보고서 및 뉴스보도를 기반으로 블로거가 직접 작성)

1. 웨이퍼(Wafer) 제조

웨이퍼는 반도체의 기본이 되는 기판으로, 실리콘(Si)으로 만들어진 잉곳(Ingot)을 원판 모양으로 절단한 후 표면을 연마하고 세척·검사하는 과정을 거쳐 생산된다.

• 웨이퍼는 본래 부도체이며, 불순물을 첨가하는 방식에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 나뉜다.
• 기술 난이도는 상대적으로 낮지만 순도와 안정성이 중요하여 글로벌 Big 5가 시장 점유율 90% 이상을 차지하고 있다.
• 메모리 반도체 업체들은 연간 제조 원가(COGS)의 10~20%를 웨이퍼 구매에 사용하며, DB하이텍과 같은 파운드리 업체의 경우 50% 이상 차지하기도 한다.
• 기술 진보보다는 파운드리 성장과 전기차 등의 신규 산업 등장에 따라 수요가 증가하는 분야이다.

최근 SiC(실리콘 카바이드) 웨이퍼에 대한 수요가 증가하고 있다.

• SiC 웨이퍼는 고전압, 고전류, 고온 환경에서 동작 가능하여 전력 반도체에 최적화되어 있다.
• 시장 성장률은 연평균 35%로 매우 높은 수준이며, SK실트론이 듀폰(DuPont)의 SiC 사업부와 국내 예스파워크닉스를 인수하여 본격적으로 생산을 시작했다.

GPT를 통해 제작된 이미지

2. 산화 공정

웨이퍼 위에 산화막을 형성하는 과정이다.

• 실리콘을 1000℃ 이상의 산소나 수증기와 함께 두면 반응하여 얇은 절연막이 형성된다.
• 산화막은 회로 간 전류 누설을 방지하고, 이후 진행되는 식각 공정에서 특정 부분이 깎이는 것을 방지하는역할을 한다.
• 산화 방법에는 건식 산화(Dry Oxidation, 산소만 사용)과 습식 산화(Wet Oxidation, 수증기와 산소 사용)가 있다.
• 공정 중 자연적으로 생긴 네이티브 옥사이드(Native Oxide)는 품질을 저하시킬 수 있어 세정 과정에서 제거후 사용한다.
• 국내에서는 PSK가 드라이 클리닝 장비를 공급하고 있다.

산화방식중 건식산화와 습식 산화 비교 (자료: 미래에셋 산업리포트)

 

3. 노광공정 과정

노광공정은 웨이퍼 표면에 감광제를 바르고, 특정 패턴을 형성한 후 식각을 진행하여 반도체 회로를 새기는 방식으로 이 과정은

웨이퍼 위에 정밀한 회로 패턴을 형성하는 필수적인 단계이다. 이 과정은 감광제 도포부터 패턴 형성, 굽기, 현상, 검사까지 여러 단계를 거치며, 미세공정이 발전함에 따라 EUV(Extreme Ultraviolet) 공정이 주목받고 있다.

 

a. 세정 (Cleaning):

• 이전 공정에서 발생한 불순물을 제거하기 위해 HMDS(Hexamethyldisilazane)를 웨이퍼 표면에 도포한다. 이는 표면을 소수성으로 만들어 감광제와의 접착력을 향상시킨다.
• 감광제(PR, Photo Resist) 도포
• 빛에 반응하는 감광제를 웨이퍼 표면에 균일하게 분사한다. 웨이퍼를 회전시키며 도포하지만, 가장자리가 두꺼워질 수 있어 이 부분을 커팅하여 균일한 두께를 유지한다.

b. Soft Bake (소프트 베이크)

• 감광제에 포함된 유기 용매를 제거해 감광막을 경화시키는 과정이다. 일반적으로 90~110℃의 낮은 온도에서 진행되며, 감광제의 반응성을 일정하게 유지하는 역할을 한다.

c. 노광 (Exposure)

• 포토마스크(Photomask)를 이용해 웨이퍼 위에 패턴을 형성하는 단계이다. 정밀한 패턴 형성을 위해 Alignment 작업을 진행한 후, 빛을 조사하여 웨이퍼에 패턴을 새긴다. 주요 노광 방식으로는 접촉, 근접 투영, 투영전사, 습식노광 등이 있다.

d. 노광 후 굽기 (Post Exposure Bake)

• 노광 후 감광막의 표면을 정리하고 균일하게 만들기 위해 진행하는 공정이다. 빛의 간섭으로 발생하는 결을 제거하는 역할도 한다.

e. 현상 (Development)

• 현상액을 이용해 감광제를 제거하여 필요한 회로 패턴만 남기는 과정이다. 이 단계에서 제거되지 않은 감광막이이후 식각 공정에서 보호막 역할을 한다.

f. Hard Bake (하드 베이크)

• 웨이퍼를 다시 가열하여 감광제를 더욱 단단하게 만드는 과정이다. 남아있는 유기용매를 제거하고, 웨이퍼와의접착력을 강화한다. 일반적으로 Soft Bake보다 높은 온도에서 진행된다.

노광 공정 (자료: tb_elec_engineer@naver.com)

참조: 노광공정 장비

노광공정에는 다양한 장비가 사용되며, 특히 미세공정이 발전함에 따라 장비의 중요성이 더욱 커지고 있다.

 

EUV 노광기 (Extreme Ultraviolet Lithography)

• EUV 노광기는 10nm 이하의 초미세 반도체 공정에서 사용되는 최신 기술이다. 기존 불화아르곤(ArF) 기반의DUV(Deep UV) 공정보다 파장이 짧아 더 정밀한 패턴을 형성할 수 있다. 다만, EUV 공정은 비용과 시간이 많이소요되며, 먼지에 민감해 마스크 보호를 위한 펠리클(Pellicle)의 필요성이 커지고 있다.
• 현재 EUV 노광장비 시장은 네덜란드의 ASML이 95% 이상의 점유율을 차지하고 있으며, 주요 고객사는TSMC(50%)와 삼성전자(25%)이다. 연평균 20% 성장률을 기록하며, 반도체 시장 전체 성장률(약 15%)을 뛰어넘고 있다.

노광기 (GPT로 제작된 이미지)

Track 장비

• 노광기와 직접 연결되어 감광제 코팅, 베이크, 현상 등의 대부분의 과정을 담당하는 장비이다. 감광제를 균일하게도포하고, 베이크 과정에서 정밀한 온도 조절이 필수적이다. 최근 EUV 공정 도입으로 인해 Track 장비의 성능 요구 수준이 높아지고 있다.
• 이 시장은 일본 TEL(Tokyo Electron)이 약 90%의 점유율을 차지하고 있으며, 국내에서는 삼성전자 계열사인 세메스가 Track 장비를 공급하고 있다.

Track 장비 (GPT로 제작된 이미지)

Overlay 장비

• Overlay 장비는 반도체 공정에서 회로 패턴이 적층되는 과정에서 하부 패턴과 상부 패턴 간의 수직 정렬 상태를계측하는 역할을 한다. 이를 통해 노광기의 노출 위치를 보정하는 기능을 수행한다.
• 시장 성장률은 연평균 15% 수준이다.
• 해외 시장에서는 KLA가 70%, ASML이 30%의 점유율을 차지하고 있다. ASML은 노광기와 밀접하게 연결된Track 장비에 Overlay 기능을 탑재하고 있으나, 이러한 기능이 Track 장비에 포함되는 경우가 많아 시장 점유율은30%에 그친다. 국내에서는 오로스테크놀로지가 제한된 기술을 보유하고 있지만, Overlay 장비를 생산하여 납품하고 있다.

Overlay장비 (GPT로 제작된 이미지)

Mask Inspection

• 노광 선폭이 미세화됨에 따라 광원의 파장뿐만 아니라 Mask의 패턴도 정밀해지고 있어 Mask 검사(Inspection)의난이도와 중요성이 점점 커지고 있다. 특히 EUV 공정에서는 투과형이 아닌 반사형 포토마스크를 사용하기 때문에 기술적 난이도가 더욱 높아지고 있다.
• 시장 성장률은 연평균 27%로 예상되며, 이는 노광기 성장률과 같은 흐름을 보인다.
• 해외 시장에서는 일본의 Lasertec이 45%의 시장 점유율을 보유하고 있으며, 국내에서는 파크시스템이 원자현미경 기반의 포토마스크 검사 장비를 개발해 공급하고 있다. 또한 검사 기능뿐만 아니라 일부 파티클 제거 기능까지보유하고 있다.

포토 마스크 검사 장비 (GPT를 통해 제작된 이미지)

감광제(Photo Resist, PR)

• 감광제는 빛과 반응하는 성질을 기반으로 웨이퍼 표면에 회로 패턴을 구현하는 화학 물질이다. 빛에 노출되었을때 없어지거나(Positive Resist), 남아 있게 되어(Negative Resist) 식각 공정에서 웨이퍼 표면을 보호하는 역할을 한다.
• 기존에는 CAR(Chemically Amplified Resist) 기반 감광제가 주류였으나, EUV 공정이 발전하면서 MOR(Metal Oxide Resist)이 등장하고 있다.
• 해외 시장에서는 JSR이 CAR 기반 감광제의 선두 기업이며, MOR 공정 확산에 따라 Track 장비 강자인 TEL이 관련 사업을 확장하고 있다. JSR 또한 MOR 업체인 Inpria를 인수하여 경쟁력을 강화하고 있다. 국내에서는 동진쎄미켐과 SKMP(SK머티리얼즈퍼포먼스)가 MOR 기반 감광제 시장에 진출을 시도하고 있다.

포토레지스트(감광제) GPT를 통해 제작된 이미지

포토마스크(Photomask)

• 포토마스크는 유리 기판 위에 반도체의 미세 회로를 형상화한 노광 공정용 부품이다. 포토마스크의 패턴을 이용해 웨이퍼의 감광제(PR)에 회로 패턴을 새긴다.
• 포토마스크의 패턴이 새겨지기 전 단계가 블랭크 마스크이며, 이는 석영 기판에 크롬 등으로 박막을 입히고 감광제가 도포된 상태로 IDM 및 파운드리의 Mask House나 포토마스크 전문 제작사에 공급된다.
• 기존 노광 방식에서는 포토마스크를 투과한 빛이 렌즈를 통해 축소되는 방식을 사용했으나, EUV 공정에서는 모든 물질이 EUV 광선을 흡수하는 특성상 렌즈를 사용할 수 없다. 대신 거울을 활용한 집광 방식이 적용되면서 반사형 포토마스크가 필수적으로 사용되고 있다.
• 해외 시장에서는 Hoya와 아사히글라스(AGC)가 주요 기업이며, 국내에서는 에스앤에스텍이 기존의 블랭크 마스크 생산에서 반사형 포토마스크 제조로 사업을 확대하고 있다.

포토마스크 (GPT로 제작된 이미지)

펠리클(Pellicle)

• 펠리클은 포토마스크를 보호하는 투명막으로, 포토마스크가 고가(개당 5억 원 수준)인 점을 고려할 때 필수적인보호 장치이다. 포토마스크가 오염되면 패턴 형성 과정에서 오류가 발생할 가능성이 크기 때문에, 소모성 부품인펠리클(3~4천만 원)을 장착해 보호하는 것이 일반적이다.
• EUV 공정에서 사용되는 포토마스크는 기존 대비 더 높은 가격을 형성하고 있어 펠리클의 중요성이 더욱 커지고있다.
• 해외에서는 ASML이 일본 미쓰이화학을 통해 일부 펠리클을 생산하고 있으며, 국내에서는 에스앤에스텍과 에프에스티(FST)가 연구개발 및 설비 투자를 진행하고 있다.

펠리클 (GPT로 제작된 이미지)

 

* 본 내용은 업계 자료, 각종 리포트와 뉴스 보도를 근거로 블로거가 직접 작성한 것으로 참고 자료에 따라 최근 내용을 반영하지 못할 수 있습니다