7단계로 이뤄진 반도체 제조 공정…업체별 공급사슬 형성
반도체 한 개는 머리카락 굵기의 1만 분의 1보다 작다. 따라서 반도체를 제작할 때는 육안으로 확인해 정밀한 기계로 깎는 방식이 아니라 여러 화학 물질과 미세 공정 기술을 이용해야 한다.반도체 제조는 여러 단계의 공정을 거치며 장비와 소재, 부품이 들어가는 공급사슬을 형성한다. 반도체 업종을 분석할 때 제조 공정의 이해부터 시작해야 하는 이유다. 공정마다 기술적 난이도가 다르고, 장비와 소재를 공급하는 여러 기업이 존재한다.
◆ 7단계로 이뤄진 반도체 제조 공정…업체별 공급사슬 형성
반도체 제조 공정은 크게 '웨이퍼 제조→산화→포토→식각→증착→테스트→패키징'의 단계로 나눠진다. 이 중 웨이퍼 제조부터 증착 공정까지를 일반적으로 전(前)공정, 테스트와 패키징을 후(後)공정이라 부른다.
웨이퍼 제조 공정은 모래나 규석에서 추출한 실리콘으로 잉곳을 만든 후 둥글고 얇게 절단해 반도체 원판으로 가공하는 과정이다. 원판은 회로를 그려 넣을 수 있도록 표면을 매끄럽게 연마하는데, 표면 연마 소재로 CMP 패드(Chemical Mechanical Polishing Pad)와 슬러리를 사용한다. CMP 패드는 폴리우레탄 계열이고 슬러리는 연마제가 포함된 화학 물질이다.
산화 공정은 웨이퍼를 보호하는 산화막을 형성하는 공정이다. 산화막은 회로와 회로 사이에 전류가 흐르는 것을 차단하고 이온 주입과 식각 공정의 오류를 막는다. 이 공정에서는 800~1200도의 고온 열처리 장비가 사용된다.
포토 공정은 리소그래피라고도 한다. 산화막을 입힌 웨이퍼 위에 회로를 그리는 공정이다. 회로를 그려 넣은 포토 마스크를 먼제 제작한 뒤, 웨이퍼 위에 빛에 반응하는 감광액을 입힌 다음, 포토마스크를 대고 빛을 쪼인다(노광). 이렇게 하면 포토마스크를 통과한 빛에 의해 웨이퍼 위에 회로가 그려진다.
이후 웨이퍼에 다시 현상액을 뿌려 빛이 통과한 영역과 그렇지 않은 영역을 구분해서 회로 패턴을 만든다(현상). 노광 공정에 사용하는 장비가 스테퍼다. 반도체 제조 공정에서 국산화 비율이 가장 낮은 분야가 포토 공정이다. 극자외선 노광 장비인 'EUV'는 네덜란드 기업 ASML이 유일한 제조사이기 때문에 전량 수입에 의존하고 있다. 초미세 공정에서 경쟁하고 있는 대만의 TSMC와 삼성전자는 EUV 생산량을 독점하기 위한 수주 경쟁을 펼치기도 한다.
식각 공정은 회로 패턴을 제외한 부분을 제거하는 공정이다. 식각 방식에 따라 습식과 건식으로 나뉘고, 사용하는 장비도 다르다. 식각 장비는 'Ether'와 'Asher'로 불린다. 낸드의 단수가 올라갈수록 식각 공정에서 쓰이는 소재량이 늘어나기 때문에 식각 공정의 소재 기업에게 수혜가 돌아간다.
증착 공정은 웨이퍼 위에 박막을 입히는 과정이다. 박막은 회로를 구분하고 연결하며 보호하는 역할을 하는 얇은 막이다. 증착 방법으로 화학적 기상 증착방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 주로 사용한다. 박막은 전기적 신호를 연결하는 전도층과, 내부 연결층을 분리하고 오염을 차단하는 절연막층으로 구분된다.
이온 주입 공정은 반도체에 전기적인 성질을 부여한다. 순수한 반도체는 실리콘으로 돼 있어 전기가 통하지 않으나, 이온을 주입하면 전도성을 지니게 된다.
테스트와 패키징 공정은 세부적으로 ▲테스트 ▲금속 배선 ▲성형의 공정으로 이뤄진다. 반도체의 불량 여부를 검사하는 테스트는 박막 증착이 끝난 단계에서 행하는 EDS(Electric Die Sorting) 테스트, 조립 공정을 거쳐 패키지화한 상태에서 이뤄지는 패키징 테스트, 출하하기 전 소비자의 관점에서 실시하는 품질 테스트 등이 있다.
금속 배선 공정은 반도체 회로 패턴에 금속 선을 잇는 공정이다. 반도체의 수 많은 소자를 동작시키며 각각의 신호가 섞이지 않고 잘 전달되도록 선을 연결한다. 성형 공정은 열 및 습기 등의 물리적인 환경으로부터 반도체 집적 회로를 보호하고 원하는 형태의 패키지로 만드는 과정이다. 성형은 수지로 구성된 EMC(Epoxy Molding Compound)에 고온을 가해 젤 상태로 만든 후 원하는 형태의 틀에 넣어 진행한다.
안장섭 더인베스트 기자 jsan@theinvest.co.kr
