반도체 8대 공정, 10분만에 이해하기
안녕하세요, 경제유캐스트 윰기자입니다.
오늘은 반도체 8대 공정에 대해서 준비했습니다.
반도체 관련 직종에 근무하시지 않는다면 일상생활에서는 반도체 공정을 다룰 일이 거의 없습니다. 사실 반도체 공정을 몰라서 삶을 살아가는데 아무런 지장이 없죠.
하지만 투자를 하시는 분이라면 반도체 공정은 한번쯤 알아두시는 것이 좋을 것 같습니다.
우리 생활 주변에 전자기기가 점차 많아지면서 반도체의 중요성도 높아지고 있죠.
반도체 관련 기업들도 과거보다 더 주목을 받고 있습니다. 바로 투자 부문에서도요.
반도체 공정을 알면 반도체 기업을 보는 눈도 키우실 수 있을 것 같습니다.
반도체란
우선 반도체에 대해서 간략하게 정리를 해볼게요. 반도체는 전기가 통하는 물질로, 필요에 따라 전류를 조절해서 사용할 수 있습니다. 우리가 흔히 말하는 반도체 칩, 반도체 산업, 스마트폰에 들어가는 반도체 등은 반도체 집적회로를 말하는 겁니다. 반도체 물질을 이용해서 전기회로의 가장 기본적인 요소를 만들어내는 것이죠.
집적회로를 어떻게 설계하고 쌓느냐에 따라서 굉장히 다양한 반도체 칩이 만들어집니다. 스마트폰에만 봐도 스마트폰 안에 두뇌역할을 하는 모바일 AP랑 저장공간인 메모리 칩만 있다고 생각하실 수 있는데요, 통신연결을 하는 모뎀칩, 디스플레이칩, 터치스크린패널칩, 전면카메라칩, 후면카메라칩, 이어폰 모듈, 스피커 칩, 근접센서, GPS, NFC, RFID, USB, 파워IC, 플래시 등등의 칩들로 구성되어 있습니다.
그리고 반도체라고 하면 컴퓨터나 노트북 등만 생각하실 수 있는데요, 전자렌지나 세탁기, 청소기 등에도 반도체가 들어가게 됩니다. 인공지능 기능이 들어가지 않은 가전제품이라도 전류를 통해 제품을 컨트롤 하기 위한 마이크로컨트롤유닛인 MCU가 들어갑니다.
이제 전기차나 자율주행차가 등장하면서 더 많은 반도체가, 그리고 모든 전자제품에 AI 기능들이 들어가게되면서 또 더 많은 반도체가 필요하게 되겠죠. 이미 자동차 분야에서는 자동차에 들어가는 반도체 칩이 부족하다는 소식도 들려오고 있죠.
8대공정
이제 8대공정에 들어가볼게요.
쉽게 반도체 집적회로 생산과정은 반도체 주요 재료인 실리콘으로 큰 둥근 원판인 웨이퍼를 만들어서 거기에 회로를 새기고 제품에 맞게 자르는 과정입니다.
8대공정은 아래와 같습니다.
웨이퍼 제조 - 산화 공정 - 포토 공정 - 식각 공정 - 박막 증착 공정 - 금속 배선 공정 - 전기적 테스트 공정 - 패키지 공정
1. 웨이퍼 제조
웨이퍼 제조 먼저 보겠습니다.
반도체 직접회로 생산의 핵심 재료는 실리콘입니다. 실리콘은 보통 모래에서 추출합니다. 이 실리콘을 녹여서 둥근 기둥인 규소봉으로 제작하는데 이를 잉곳이라고 부릅니다.
이 잉곳을 아주 얇고 균일한 두께로 절단해 표면을 평평하게 만드는 과정을 거쳐서 웨이퍼로 만듭니다.
반도체 관련 뉴스를 보면 은색의 빛나는 둥근 원판을 종종 보실 수 있는데요, 이 원판이 웨이퍼입니다.
이 웨이퍼에 회로를 새기고 작게 잘라서 반도체 직접회로, IC가 되는 것입니다.
2. 산화 공정
다음은 산화 공정입니다. 반도체는 나노공정이라고 하는 아주 미세한 작업을 통해 만들어집니다. 반도체 직접회로 자체도 굉장히 작습니다. 여기에 마이크로 단위 규모의 먼지가 붙게 되면 전기가 제대로 흐르지 못하고 불량 반도체가 만들어집니다. 반도체가 제대로 작동하지 않으면 전자기기도 불량이 되죠.
이러한 먼지로 반도체가 오염되는 것을 막아주기 위해 보호막을 만드는데요 이게 산화 공정입니다.
웨이퍼 표면에 산소나 수증기를 뿌려서 균일한 실리콘 산화막을 형성합니다. 산화막이 이후 반도체 공정 과정에서 발생하는 오염물질이나 화학물질로부터 생성되는 각종 불순물로부터 웨이퍼 표면을 보호해줍니다.
3. 포토 공정
다음은 포토 공정입니다.
앞서서 웨이퍼에 회로를 그린다고 설명을 드렸는데, 이제 그 작업에 들어가게 됩니다.
하지만 반도체는 나노 단위로 눈으로 보기 힘들 정도로 작게 만들기 때문에 회로를 직접 그리는 건 어렵습니다.
그래서 미세한 회로 구멍이 뚫린 마스크를 만들고, 웨이퍼 위에 이 마스크 판을 두고 자외선 빛을 쐬어 줍니다. 그러면 구멍이 뚫린 곳에만 자외선 빛을 받아 전자회로 패턴이 찍힙니다.
마치 사진을 인화지에 출력하는 것과 유사하죠.
다시 설명을 드리면,
산화 공정을 통해 산화막이 덮인 웨이퍼에, 빛에 반응하는 액인 감광액을 발라 웨이퍼를 인화지로 만듭니다. 그리고 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과해 웨이퍼에 회로를 그립니다.
설계한 전자 회로 패턴이 그려진 포토마스크에 빛을 쪼아 웨이퍼에 전자회로 패턴을 찍어냅니다.
웨이퍼는 향후 수백 수천개의 반도체 칩이 되는데 이 칩 하나하나가 마스크를 통해 회로가 그려지는 것입니다.
4. 식각 공정
다음은 식각 공정입니다.
식각이라는 말이 어려울 수도 있는데요, 에칭이라고도 불리는데, 철을 부식시켜서 그리는 동판화와 같은 원리 입니다.
포토 공정에서 회로를 그렸으면 불필요한 회로를 벗겨내는 과정이 필요합니다. 이 과정이 식각 공정입니다.
아까 포토 공정에서 빛에 반응하는 액인 감광액을 발랐었죠. 포토 공정 후 자외선이 닿지 않아 감광액이 남아 있는 부분이 있습니다. 여기서 감광액이 남아 있는 부분이 회로도의 선 부분이고, 이 외의 부분은 감광액이 제거됩니다. 감광액이 제거된 부분은 회로가 아닌 필요없는 부분이니까 감광액이 제거된 부분의 산화막도 제거하는 과정이 필요하고 이 과정이 식각 공정입니다.
5. 박막 증착 공정
다음은 박막 증착 공정입니다.
식각 공정이 된 웨이퍼에는 회로를 한층만 쌓는 것이 아니라 여러 층을 쌓아 반도체를 만듭니다.
여러 층을 쌓아 바로 아래층의 회로와 윗층의 회로가 가까워지면 서로 영향을 줄 수 있어 불량 제품이 나오게 됩니다. 아래층의 회로와 윗층의 회로가 서로 영향을 주지 않도록 해줘야 하는데 이 과정이 박막 증착 공정입니다.
그래서 아래층 회로에 윗층 회로를 쌓기 전에 절연막을 덮어줍니다. 절연막은 굉장히 얇기 때문에 박막이라고 합니다. 박막은 나노에서 마이크로 단위입니다.
박막을 만드는 공정을 박막 증착 공정이라고 합니다.
6. 금속 배선 공정
그 다음은 금속 배선 공정입니다.
금속 배선 공정은 전기가 잘 통하는 금속의 성질을 이용해 반도체의 회로 패턴을 따라 전기길, 금속선을 이어주는 과정입니다.
반도체는 전기가 통해야 하기 때문에 전기가 잘 통할 수 있도록 알루미늄 같은 선을 연결해 전기가 통하는 길을 만들어주는 것이죠.
7. 전기적 테스트 공정(EDS)
이제 반도체가 거의다 만들어졌고 각각의 칩이 전기가 잘 통하는지 작동이 잘되는지 품질을 검사하는 단계인 전기적 테스트 공정입니다.
이 공정을 통해 원하는 품질 수준으로 칩이 만들어졌는지 판단하고 양품과 불량품을 검사합니다.
하나의 웨이퍼에는 수백, 수천개의 반도체 칩이 만들어지게 됩니다. 그래서 웨이퍼에 회로를 만드는 공정 중에 불량품이 항상 만들어질 수 밖에 없습니다.
웨이퍼 한장에 만들어지는 칩 대비 정상 작동하는 칩의 비율을 수율이라고 하는데요,
수율이 높을 수록 한 장의 웨이퍼를 통해 정상 작동하는 칩을 많이 만들 수 있다는 의미이고, 그만큼 기술력이 좋다고 표현을 할 수 있습니다.
수율이 높을수록 반도체 원가 비용을 절감할 수 있기 때문에 대부분의 반도체 기업들은 수율을 높이기 위한 연구개발을 끊임없이 진행합니다. 실제로 수율 1% 오르게 되면, 연간으로 수백억에서 수천억까지 절감할 수 있다고 합니다.
수율 개선이 반도체 기업의 경쟁력인 것이죠. 수율은 소재, 공정기간, 온도 등 다양한 요소에 영향을 받고 가장 높은 수율의 공정 레시피를 찾는 것이 관건입니다.
8. 패키지 공정
8대공정의 마지막인 패키지 공정입니다.
일곱 단계의 공정을 마치게 되면 웨이퍼에 수백 수천개의 칩이 만들어져 있고 이들을 전자기기에 들어갈 수 있는 부품의 크기에 맞게 자르고 포장하는 공정이 패키지 공정입니다.
여기서 최종 반도체 칩이 만들어지게 되는 것이죠.
반도체 8대 공정에 대해서 어느정도 이해가 되셨는지요.
반도체 공정 설명을 보다보면 전공정, 후공정 용어도 듣게 되는데요,
전공정은 반도체 웨이퍼를 생산하고 웨이퍼 위에 회로를 만드는 과정이고 후공정은 테스트하고 웨이퍼 위에 만들어진 회로를 자르고 패키징 해 최종 상품으로 만드는 과정을 말합니다.
전공정은 웨이퍼제조부터 금속 배정 공정까지, 후공정은 테스트, 패키지 공정을 의미하는 것이겠죠.
공정에 따른 기업 분류
얼마전 에피소드를 통해 반도체 기업 분류 설명을 해드렸는데요,
이렇게 공정 과정 별로 기업을 나눠서 볼 수 있습니다.
반도체 8대 공정을 모두 스스로 알아서 한다면 종합 반도체 기업 IDM이라고 합니다. 삼성전자, SK하이닉스, 인텔, 마이크론 등이 있죠.
그리고 회로 설계만 한다면 팹리스라고 하고 퀄컴이나 애플 등이 있고요.
회로 설계대로 웨이퍼를 만들어서 그 위에 산화 공정, 포토 공정, 식각 공정 등의 공정을 통해 반도체를 만들어 주는 기업을 파운드리라고 합니다. TSMC, DB하이텍 등이 있죠.
그리고 마지막 패키징을 하는 기업들이 있습니다. 앰코(Amkor), 스태츠칩팩 등이 있습니다.
종종 증권사 리포트에 반도체 공정 별 주요 기업을 설명하는 리포트를 발견할 수 있습니다. 공정을 간략하게 해서 8대 공정으로 설명하지만 더 자세하게 들어가면 훨씬 더 복잡하고 다양하죠. 각 공정에 사용되는 소재들도 다양하고 장비들도 있으니까요.
이번 에피소드는 반도체 8대 공정에 대해서 다뤄봤습니다.
반도체 공정은 간단하게 웨이퍼 위에 회로를 그리고 기기에 맞게 작게 자르는 과정이라고 보시면 됩니다.
또다른 궁금증이나 알고 싶은 내용이 있으시다면 댓글이나 메일 통해 언제든 제안 주시면 감사겠습니다.
오늘도 들어주셔서 봐주셔서 감사합니다.
>> 유튜브로 보러가기: https://youtu.be/05cpAeeFjGA
