저번 포스팅에서는 반도체란 무엇이고 어떤 종류가 있는지에 대해 중점적으로 공부했습니다. 이번 포스팅에서는 반도체가 어떤 과정을 거쳐서 제작되고 각 단계와 관련된 기업에는 무엇이 있는 지 공부해보겠습니다. 혹시 반도체의 종류와 관련 기업에 대해서 궁금하신 분들께서는 밑의 내용을 한 번 보셔도 좋을 것 같습니다.
[반도체] 1. 반도체 종류 및 관련 기업
반도체라는 물질은 현대 기술 발전의 핵심입니다. 우리나라의 기업인 SK 하이닉스와 삼성전자와 반도체 또한 밀접한 관련이 있기에, 우리나라에게 핵심적인 수출품이기도 합니다. 경제 기사를
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1. 반도체 제조 과정
1) 웨이퍼 제조
반도체의 기본 재료인 실리콘 웨이퍼를 제작하는 단계입니다. 고순도 실리콘을 응용해 원기둥 형태의 잉곳을 만든 뒤, 이를 얇게 절단하여 웨이퍼를 만들어 냅니다. 웨이퍼는 두께가 얇고 지름이 크게 발전해왔습니다. 한 장의 웨이퍼에 더 많은 칩을 만들어 낼 수 있게 되었습니다.
2) 산화공정 (Oxidation)
웨이퍼 표면에 실리콘 산화막을 형성하여 트랜지스터의 기초를 만들어 냅니다. 산화공정은 일종의 보호막을 형성하는 과정입니다. 산화막 (SiO2)은 회로와 회로 사이에 누설 전류가 흐르는 것을 막아주는 역할을 합니다.
3) 포토공정 (Photolithography)
웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 과정입니다. 포토공정을 위해서는 우선 포토마스크 (photo mask)가 필요합니다. 포토마스크란, 석영을 가공해서 만든 기판 위에 크롬으로 미세 회로를 그린 것을 의미합니다.
팹리스 기업들은 반도체 칩의 회로를 특정 형태로 변환하여 레이아웃을 만듭니다. 이러한 레이아웃을 마스크 업체에 전달하고, 마스크 업체는 레이아웃을 바탕으로 한 포토마스크를 제작하게 됩니다.
포토공정 단계에서는 웨이퍼 위에 감광제를 균일하게 도포하고 노광장비를 이용해 빛을 마스크에 통과시킵니다. 사진을 찍는 것처럼 포토마스크의 회로는 웨이퍼 위에 그려지게 됩니다.
4) 식각공정 (Etching)
반도체의 구조를 형성하는 패턴을 만드는 과정입니다. 필요한 회로의 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거합니다.
반도체의 수율이란, 웨이퍼 한 장에 설계된 최대의 칩 개수와 실제 생산된 정상 칩의 개수를 백분율로 계산한 것입니다. 수율이 높다는 것은 바로 생산성이 좋다는 뜻입니다. 식각공정은 수율을 좌우하는 중요한 과정입니다.
5) 증착 (Deposition) 및 이온주입 (Ion implantation)
반도체는 앞선 과정들을 반복하여 복잡한 회로를 만들어 냅니다. 이러한 회로들이 겹겹이 쌓이기 위해서는 회로를 구분하고 동시에 보호할 수 있는 막이 필요합니다.
증착이란 박막을 만드는 과정입니다. 위에서 언급한 회로 간의 구분, 연결, 보호 역할을 하는 막을 박막이라고 합니다. 박막이 있어야 반도체 핵심 소자 간의 간섭을 막고 전류의 누설을 방지해 효율적인 반도체를 만들 수 있습니다. 이러한 박막은 균일하게 만드는 것이 중요합니다.
이온주입이란, 반도체가 전기적인 특성을 갖도록 만드는 과정입니다. 회로 패턴 연결 부분에 불순물을 주입합니다. 이때, 13족 원소를 주입하면 p형 반도체, 15족 원소를 주입하면 n형 반도체를 만들어 낼 수 있습니다.
6) 금속 배선 (Metallization)
반도체 회로에는 전기적인 신호가 잘 전달되어야 합니다. 회로의 작동을 위한 금속선을 연결하는 과정을 말합니다. 배선 소재로는 알루미늄이나 구리가 사용된다고 합니다. 보통 금속 배선까지의 과정을 반도체 전공정이라고 합니다.
7) EDS 공정
품질 수준을 확인하는 테스트 과정입니다. 전기적 특성 검사를 통해 개별 칩들의 품질 수준이 원하는 만큼 나오는 지를 확인합니다.
8) 패키징 공정
완성된 반도체 칩을 보호하고 외부 회로와 연결하기 위한 작업입니다. 이 과정 전까지 웨이퍼에는 수백개의 칩이 배열되어 있습니다. 칩들을 각각 나누기 위해 웨이퍼를 절단하는 과정이 필요합니다. 이후 나눠진 칩들은 기판 위에 올려집니다. 이 때 칩들을 얼마나, 어떻게 쌓느냐에 따라서 제품의 특징이 결정됩니다. 본딩 과정은 반도체 칩이 외부와 전기 신호를 주고 받을 수 있도록 하는 과정이고 몰딩 과정은 칩을 외부로부터 보호하는 과정입니다. 마지막 패키지 테스트를 마치게 되면 비로소 반도체 칩이 만들어지게 됩니다. 마지막 테스트와 패키징 공정을 합쳐 반도체 후공정이라고 합니다.
2. 관련 기업
1) 포토마스크 제조 기업
미국의 Photronics, 일본의 다이닛폰인쇄 (DNP)와 토판 (Toppan)이 대표적인 포토마스크 제조 기업입니다.
2) 웨이퍼 제조 기업
일본의 신에쓰는 세계 최대의 웨이퍼 제조사로 높은 시장 점유율을 가지고 있습니다. 대만의 글로벌웨이퍼스와 우리나라의 SK 실크론도 대표적인 웨이퍼 제조 기업입니다.
3) 전공정 관련 기업
대형 파운드리 기업들이 주로 전공정 단계를 담당합니다.
TSMC는 대만의 세계 최대 파운드리 기업으로 고도화된 미세 공정 기술을 가지고 있습니다. 삼성전자 또한 파운드리에서 중요한 기업입니다. SMIC는 중국의 파운드리 기업입니다. GlobalFoundaries는 미국의 파운드리 기업입니다. UMC는 대만의 파운드리 기업입니다.
이러한 전공정 과정에 필요한 장비를 제공하는 회사들 또한 중요합니다. 네덜란드의 ASML 이라는 기업은 반도체의 포토공정에서 필수적인 장비를 만드는 회사로 전공정에서 중요한 기업입니다. 램리서치는 식각공정에 필요한 장비 분야에서 압도적인 점유율을 차지합니다. 일본의 도쿄일렉트론은 식각 및 증착 공정에 필요한 장비를 제조합니다. Applied Materials (AMAT)는 증착 분야 장비 생산에서 높은 점유율을 차지하는 기업입니다. KLA는 전공정과 후공정에 모두 관련이 있는 기업입니다. 반도체 공정 중의 검사 및 계측 장비를 만드는 기업입니다. 반도체 제조 과정 중간의 결함 검사나 마무리 후공정 단계의 검사에 모두 중요한 장비를 제공합니다.
4) 후공정 관련 기업 (OSAT 기업)
시스템 반도체의 경우, 후공정을 전문 업체에 외주를 맡기는 것이 일반적입니다. 이러한 후공정 전문 기업을 OSAT 기업이라고도 합니다.
대표적으로 대만의 ASE가 있습니다. ASE는 세계 최대의 반도체 패키징 및 테스트 서비스 제공업체 입니다. 2위인 미국의 Amkor technology 와 격차가 꽤 있는 편입니다. 최대 고객은 애플이며 퀄컴, 엔비디아 등의 세계적인 팹리스 기업들을 고객으로 두고 있습니다. Amkor technology는 나스닥에 상장된 미국 기업입니다. 중국의 JCET 스태츠칩팩은 이 둘의 뒤를 쫓고 있는 기업입니다.
3. 마무리
두 개의 포스팅을 통해서 반도체의 종류와 제조 과정, 그리고 그와 관련된 다양한 기업들에 대해서 공부해보았습니다. 설계와 관련된 팹리스 기업들은 들어본 기업들이 많았으나 제조 과정의 기업들은 새롭게 알게된 기업들도 많았던 것 같습니다.
반도체 산업은 AI, 자율주행이라는 첨단 산업에 있어서 꾸준한 수요가 발생하는 분야입니다. 기술 발전과 함께 반도체 산업은 지속적인 성장 가능성이 높습니다. 반도체와 관련된 기업들이 각각 어떤 역할을 담당하고 있는지 알아두는 것은 투자자의 입장에서 중요할 것 같습니다.
전통적인 메모리 반도체 분야에서 우리나라가 강했던 것과 달리, 시스템 반도체 분야에서는 우리나라의 기업들의 이름이 보이지 않았습니다. 팹리스 분야에서는 미국의 대기업들이, 그리고 파운드리와 후공정 분야에서는 대만의 기업들이 돋보였던 것 같습니다. 미국 나스닥 시장에 관련 기업들이 많이 상장되어 있으니 앞으로 미국 주식을 공부함에 있어서 관련 기업들은 눈여겨 지켜볼 필요가 있을 듯 합니다.
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