14.반도체전공정 첫 단계 웨이퍼공정

 

 

 

 

 

 

 

 

 

●반도체전공정 첫 단계 웨이퍼공정 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

반도체공정은 전공정과 후공정으로 나눈다.반도체 전공정은  웨이퍼공정- 산화막형성--포토노광공정-현상공정-식각공정-이온주입전류공정-박막증착공정-CMP세정공정-금속배선과정을 거친다.이중에서도 가장 핵심적인 반도체 전공정은 노광(Photo),식각(Etching),증착(Deposition)의 과정을 거친다.반도체 전공정은 고도의 화학공정을 거치기 때문에 높은 기술력이 필요한 고부가가치를 창출하는 산업이라고 할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.웨이퍼 공정 

 

 

 

 

1).잉곳 (Ingot)제조

 

 

모래에서 추출한 실리콘을 반도체 재료로 사용하기 위해 순도를 높이는 정제 과정이 필요하다.실리콘 원료를 뜨거운 열에 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이를 굳혀 실리콘 기둥인 잉곳(Ingot)을 제조한다.

 

 

 

 

 

 

◈에스테크(비상장)

 

 

고진공 기반의 단결정 실리콘 잉곳 성장로를 제작하는 기업이다. 자체 연구소를 구축하고 잉곳 성장로를 설치해 지속적인 연구개발을 활발하게 진행하고 있다. 다수의 기술 개발을 통해 고특성 장비 설계 및 제작과 실제 운영 경험을 기반으로 턴키 솔루션을 제공하고 있다. 실리콘 단결정 잉곳 성장로 제작에 있어 태양광뿐만 아니라 반도체용 잉곳 성장로 제작 기술을 확보하고 있으며, 이를 통해 시장 변화에 유연하게 대처가 가능하다는 경쟁력을 확보하고 있다.2024년 에스테크의 수출액은 3,000만불을 넘어설 것으로 예상되며, 내년에는 수출 5,000만불 달성을 목표로 하고 있다. 이를 위해 최근 독일 뮌헨에서 개최된 해외 전시회에 참가해 전 세계 비즈니스 파트너를 확보하고자 지속적으로 노력하고 있다.  유럽뿐만 아니라 중동, 러시아 및 남미 지역의 태양광용 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위해 투자 예정 기업들에 신규 개발 장비인 28인치 성장로 판매를 확대하기 위해 노력하고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

◈에스티아이   

 

 

 

 

 

에스티아이는  반도체 석영유리 전기로, SiC 반도체 성장로  장비를 주로 개발하는 장비기업이다.반도체 핵심소재인 실리콘카바이드 즉, SiC 잉곳 파우더를 국산화하였다.SiC 잉곳 파우더는 반도체 웨이퍼 잉곳의 기초 소재로 사용되는데 그 동안 전량 수입에 의존해 온 품목이다.에스티아이는 SiC 반도체 잉곳 제조 장비인 화학기상전송 PVT 성장로를 독자 개발하고 이를 기반으로 잉곳 원료인 잉곳 파우더까지 개발하였다.이는 2,000억에서 3,000억 규모의 수입대체 효과가 나타날 것으로 기대되고 있다.

 

 

 

 

 

 

◈하나머티리얼즈

 

 

 

하나머티리얼즈는 대구경 실리콘 잉곳 일관생산체제를 보유한 기업이다. 2011년 세계 최초로 520mm 잉곳을 양산에 성공하면서 기술경쟁력을 앞세우고 있다. 실리콘 잉곳은 반도체 식각 공정에 쓰이는 핵심 소모품이고 4차 산업혁명에 따른 고성능 반도체 수요 증가와 함께 자사 제품의 수요도 급증하는 추세이다.  

 

 

 

 

 

 

 

◈티씨케이

 

 

 

실리콘카비이드를 생산하고, 반도체 식각 장비 안에서 공정 중 웨이퍼를 고정하는 부품인 SiC 링 시장에서 독보적 기술력과 점유율을 기업이다. 이 부품을 세계최초로 개발해 국내외 반도체 제조·장비 회사에 공급하고 있다. 최근 디에스테크노, 와이엠씨, 와이컴 등 경쟁사들이 SiC 링을 제조하고 판매하기 시작하면서 기술 보호를 위한 제조·물성에 관한 소송을 진행하기 시작했다. 이 전에 디에스테크노와 진행했던 제조방법 특허소송에서  대법원 승소에 이어 물성특허까지 승소를 한 사례여서 자사 기술보호 측면에서 큰 의미가 있는 결과라고 설명했다. 이번 특허 소송은 실리콘카바이드(SiC) 링 제조 과정에서 링 경계면의 단점을 보완해 주는 물성 특허에 관한 내용이다.

 

 

 

 

 

◈OCI   

 

 

 

 

잉곳 원재료인 폴리실리콘을 생산한다

 

 

 

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2) 잉곳 절단 (Wafer Slicing)

 

 

둥근 팽이 모양의 잉곳을 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 절단,잉곳의 지름이 곧 웨이퍼의 크기가 된다. 웨이퍼 두께가 얇을수록 제조원가가 줄어들고, 지름이 클수록 한번에 생산할 수 있는 반도체 칩 수가 증가된다.

 

 

 

 

 

3).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 제조한다.이러한 실리콘을 액체화하고 잉곳으로 만들어 절단하고 연마히는 공정이다.국내 웨이퍼 제조 기업에는 SK실트론, DB하이텍, 쎄닉이 있다.

 

 

 

 

◈SK실트론(비상장)

 

 

웨이퍼 제조를 주요 사업으로 영위하고 있으며, 주요 제품은 Si 웨이퍼, SiC 웨이퍼가 있다.주력 제품인 Si 웨이퍼는 반도체의 핵심 원재료로 PC, 스마트폰, 데이터센터, 전력반도체 등 다양한 영역에서 활용되고 있다. 반면, 새롭게 진출한SiC 웨이퍼는 전력반도체, 특히, 에너지 효율이 중요한 전기차 등에 사용되는 차세대 반도체 소재로, 향후 전기차 시장의 성장에 따라 그 수요가 커질 것으로 예상된다.주요 고객사를 살펴보면 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론 등의 메모리 반도체 기업들과 인텔, TSMC 등 시스템 반도체 기업들이 있다.

 

 

 

◈DB하이텍

 

 

 

DB하이텍은 8인치 Si웨이퍼를 생산하는 기업이다. 2022년까지 매출액은 꾸준히 성장했으나, 2023년 반도체 불황과 이후 점차 8인치 웨이퍼 사용이 줄어듦에 따라 매출액을 2022년 수준으로 회복하지 못하고 있다.  SiC웨이퍼 생산에서 빠른 기술 개발이 이뤄지지 않는다면 성장하기는 매우 어렵다고 볼  수 있겠다.

 

 

 

 

◈쎄닉(비상장)

 

 

 

쎄닉은 SiC웨이퍼 스페셜리스트로, SiC웨이퍼를 순수 국내 기술로 개발한 최초의 업체이다. 2000년대 초반부터 2인치 SiC기판소재 기술 개발을 시작해 2004년부터 SiC웨이퍼 국산화에 본격적으로 뛰어들었다. 2010년 SKC에 합류해 4인치 SiC웨이퍼 기술개발에 성공했으며, 이후 현재 6인치 SiC웨이퍼 기술 개발까지 성공했다. 현재 8인치 SiC웨이퍼 기술 개발을 진행 중에 있으며, 2024년부터 8인치 웨이퍼 양산에 돌입할 수 있을 것으로 보인다. 2022년 매출액은 1억 원 수준으로 당시, 양산을 통해 공급하고 있는 웨이퍼가 없었기 때문에 매출액이 발생하지는 않았으나, 올해부터 양산에 따른 본격적인 매출액 성장이 기대된다. 올해 기술특례상장 방식으로 IPO를 진행할 것으로 보인다.

 

 

 

 

 

 

◈웨이퍼소재       

 

 

티씨케이,  원익QnC   

 

 

 

◈단결성 성장장비 

 

 

한미반도체, 일진에너지

 

 

 

 

 

 

 

 

​4).웨이퍼 표면 연마 (Lapping&Polishing)

 

 

 

절단된 웨이퍼를 거울처럼 매끄럽게 만들기 위한 가공, 절단 직후의 웨이퍼는 표면이 거칠어 회로의 정밀도에 영향을 미칠 수 있기 때문에 연마액과 연마 장비(Polishing machine)를 통해 웨이퍼 표면 연마한다.

 

 

 

 

 

◈웨이퍼연마장비와 연마액  /케이씨텍   

 

 

 

 

​5).웨이퍼구조

 

 

① 웨이퍼(Wafer): 반도체 집적회로의 핵심 재료인 원형 판

​② 다이(Die): 웨이퍼 위에 있는 작은 사각형들로, 전자 회로가 집적되어 있는 IC칩

​③ 스크라이브 라인(Scribe Line): 다이들을 각각 잘라내기 위해 서로 떨어져 있는 간격

​④ 플랫존(Flat Zone): 웨이퍼의 구조를 구별하기 위한 영역. 웨이퍼의 결정 구조는 매우 미세해 눈으로 판단할 수 없기 때문에 이 플랫존을 기준으로 웨이퍼의 수직, 수평을 판단한다.

​⑤ 노치(Notch): 플랫존을 대신하는 역할

 

 

▶관련기업 으로는 에스티아이, 하나머티리얼즈.티씨케이, sk실트론(비상장기업) 등이 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

6).웨이퍼 수율 향상

 

 

 

 

 

 

AI 반도체 경쟁이 웨이퍼 장비 기술로까지 확대되고 있다. HBM과 같은 고성능 메모리 생산에서 웨이퍼 관련 공정이 반도체 성능 및 비용에 직접적인 영향을 미치면서 그 중요성이 더 커지고 있다.이에 웨이퍼를 얇게 하는 백그라인딩과 개별 반도체칩으로 잘라내는 다이소잉 공정 관련 장비 기술이 주목 받는다. 특히 일본 디스코가 주도하는 독점적 시장에서 국내 기업의 시장 침투가 기대된다. 오는 2025년 30에서 49㎛ 두께 웨이퍼는 연평균 98% 성장률로 170만장 생산될 전망이다. 현재 반도체는 100㎛ 이하의 얇은 웨이퍼가 주류로 쓰인다.10㎛ 미만의 초박형 웨이퍼와 50에서 99㎛ 두께 웨이퍼는 연평균 7%, 10에서 29㎛ 두께 웨이퍼도 2025년 350만장이 생산될 예정이다. 특히 HBM 등 D램 적층형 메모리, 전력반도체에는 점점 얇은 웨이퍼가 도입되고 있다. 반도체 공정에서 웨이퍼를 얇게 만들수록 D램 등 집적회로의 집적도가 올라간다. 특히 HBM과 같이 8단, 12단 등 적층이 수반되는 경우 웨이퍼 두께에 따라 고성능 구현 여부가 결정된다. 얇아질수록 제조원가가 줄어들기 때문에 가격 경쟁력도 높일 수 있다. 또 저항이 줄어들어 전력 소모도 낮추고 열전도율도 높아져 방열 효과도 크다. 방열율이 클수록 반도체에 열에 의한 피해를 줄일 수 있다. 하지만 웨이퍼가 얇아지는 만큼 결함도 커진다. 게다가 백그라인딩(Back Grinding) 공정 시 균일하게 깎아내지 못하면 집적회로 정밀도에도 영향을 미치고 웨이퍼가 쉽게 부러지거나 뒤틀릴 수 있다.게다가 얇은 웨이퍼는 개별 반도체칩으로 잘라내는 다이소잉(Die Sawing) 공정에도 영향을 미친다. 웨이퍼가 얇아지는 만큼 미세하게 잘라내지 못하면 결함이 높아진다. 이에 백그라인딩 공정 장비인 백그라인더와 다이소잉을 수행하는 다이싱 장비 기술이 떠오르고 있다. 백그라인더 장비의 경우 일본 디스코(Disco)가 사실상 독점하고 있다. 관련국내 기업으로는 엠테크놀로지(비상장)가 백그라인더 장비를 공급하고 있지만 디스코에 밀린다.다이싱 장비 쪽에서도 디스코가 주도하는 형국이었으나 한미반도체가 자체 개발로 기술 내재화를 이뤘다. 한미반도체는 2021년 6월 국내 최초로 반도체 패키지 절단 장비인 마이크로 쏘를 개발했으며, 이듬해에는 웨이퍼 상태에서 절단하는 마이크로 쏘 W를 개발해 공급 중이다. 이오테크닉스는 자사 레이저 기술력을 기반으로 비접촉 방식 장비로 반도체칩 손상을 줄이면서 얇은 웨이퍼를 자르는 다이싱 장비를 개발하고, 삼성전자와 검증을 완료하고 공급하고 있다.HBM4는 16단으로 적층되는 구조로 D램의 수가 늘어나 D램 두께도 얇아져야 하고 칩 손상 없이 칩을 잘라낼 수 있는 스텔스 다이싱 장비의 수요가 확대될 것으로 보고 있다

 

 

 

 

 

 

◈한미반도체/다이싱장비 기술 내재화

 

 

 

 

◈이오테크닉스/레이저다이상장비

 

 

 

자사 레이저 기술력을 기반으로 비접촉 방식 장비로 반도체칩 손상을 줄이면서 얇은 웨이퍼를 자르는 다이싱 장비를 개발하고, 삼성전자와 검증을 완료하고 공급하고 있다

 

 

 

 

◈엠테크놀로지 /백그라인더 장비

 

 

 

◈넥스틴

 

 

회로의 불량으로 형성된 패턴결함과 이물들을 광학기술이미지 비교방식으로 검출한다.시간 당 40매의 위이퍼검사를 할 수 있어 세계 최고의 기술력을 가진 미국 KLA사 장비와 동등한 성능을 자랑한다. 주요고객사로는 SK하이닉스, 중국반도체기업 등이 있다.

 

 

 

 

◈오로스테크놀로지

 

 

넥스턴이 광학기술을 통해 불량을 검사하는 장비인데 비하여, 불량 발생 빈도를 낮추는 특정한 값을 도출한 계측측정장비를 공급한다.

 

 

 

 

◈HPSP

 

 

 

검사장비나 계측장비를 이용하지 않고 전공정 중 증착공정 후 추가적으로 사용하는 고압수소장비를 통해 고농도, 고압의 수소가 웨이퍼 표면 특정한 박막의 경계면에서 결함을 줄여 수율을 개선시킨다.HPSP장비는 저온에서도 고압 특성으로 초미세 반도체 공정을 구현하기 때문에 미세화 공정의 흐름에서 그 수요가 점차 증가하고 있다.

 

 

 

◈저스템

 

 

 

 

웨이퍼 이송 용기에 질소를 주입해 표면 습도를 5% 이하로 떨어뜨리는 솔루션을 제공한다.저스템의 솔루션은 웨이퍼가 놓여있는 상태에서 또는 이동하는 공간내의 불순물이 쓸데없이 발생하지 않도록 최소화할 수 있다.웨이퍼를 특정 장비에서 다른 장비로 옮기는 과정에서 순간에 수분이나 산소와 접촉하는 경우에 의도하지 않은 결함이 발생해서 수율이 떨어질 수 있다. 주요고객사는 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론 등이 있다.