반도체 산화공정 포토공정 밸류체인 및 EUV 장비

반도체 강국 대한민국에는 삼성전자,SK하이닉스 같은 대기업 외에도 참으로 다양한 소부장 기업들이 있다.하나의 반도체 칩을 만들기 위해서는 8단계의 제조공정이 필요한데 거의 모든 기업들이 연결되어 있다고 볼 수 있다. 오늘은 반도체 산화공정 및 포토공정 밸류체인과 EUV 장비에 대한 일화를 알아보자.

반도체 산화공정

만들어진 웨이퍼는 부도체이다. 전기가 통하지 않는 소재이기에 전류가 통하는 성질을 갖도록 하는 산화공정이 필요하다. 800도~1200도 고온의 산소나 수증기를 투입하여 얇은 산화막을 씌우게 되는데, 산화막은 웨이퍼를 보호하고 전류를 차단하며 이온주입공정에서 확산 방지 역할도, 식각 공정에서 식각 방지막 역할을 한다.

1. 열산화 방식 : 사용하는 기체의 종류에 따라 건식산화,습식산화로 나뉘는데 열산화방식은 보편적인 방식으로 공정석도가 느리다는 특징이 있다.
2. 건식산화 방식 : 순수한 산소를 이용하여 전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있다. 산화막 성장속도가 느리지만 얇은 막을 형성할 수 있고 습식산화방식에 비해 품질이 좋다.높은 절연성과 전기적 특성이 좋아 중요도가 높은 곳에 사용된다.
3. 습식산화 방식 : 용해도가 큰 수증기와 산소를 함께 사용하여 산화막을 빠르게 만들지만 두껍게 만들어 지고 건식산화에 비해 산화층의 밀도가 낮다.낮은 절연성과 전기적 특성이 낮아 중요도가 낮은 곳에 사용된다.

산화공정 밸류체인 기업으로는 원익IPS, AP시스템,피에스케이가 있다. 원익IPS와 AP시스템은 RTP장비 (금속 열처리 장비)를 만드는데 짧은 시간 내에 웨이퍼를 고온으로 처리하는 장비다. 피에스케이는 웨이퍼 위의 제거 불가능한 자연물을 제거하는 드라이클리닝장비를 만드는 곳이다.

반도체 포토공정

웨이퍼 위에 회로를 그리는 단계로 반도체 공정중에서 가장 난이도가 높고 중요한 과정이다.회로를 그리는 과정은 사진을 현상하는 과정과 비슷하여 포토공정이라 불리는데, 사진의 필름 역할을 하는 것이 "마스크"다. 마스크는 컴퓨터로 설계한 회로 패턴이 그려진 유리판을 말한다. 

마스크의 회로들 웨이퍼에 새기기 위해서는 산화막위에 빛에 반응하는 "감광액"을 얇고 균일하게 도포한 후 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시키면 웨이퍼 표면에 회로도가 사진찍히듯 그대로 찍히게 된다. 그 후 현상액을 뿌려가면서 빛을 받은 영역과 받지 않는 영역을 선택적으로 제거하는 단계까지가 포토공정이다.

포토공정에서 "빛"을 내는 장비가 중요한데 DUV장비와 EUV 노광장비가 있다.DUV는 뚜꺼운 빛이고 EUV장비는 얇은 빛이라서 더욱 미세한 회로를 그릴 수 있다.EUV장비는 네덜란드의 ASML 기업이 유일하게 만들 수 있는 곳으로 대만의 TSMC,삼성전자에 메인으로 납품하고 최근 인텔과 SK하이닉스에도 공급 계약을 체결했다.그렇지만 미국에서 중국향으로 수출을 금지시켰다. 인공지능과 관련된 반도체를 만들 수 있기 때문이다. 이와 관련된 일화는 포토공정 밸류체인 후 알아보도록 하자.

포토공정 밸루체인 체인 기업으로는 피에스케이,파크시스템즈,에스앤에스텍,에프에스티,동진쎄미캠,영창케미칼,이엔에프테크 등이 있다.

1. 포토마스크 생산 : 에스앤에스텍
2. 펠리클(마스크 보호 부품) : 에스앤에스텍,에프에스티
3. 감광액 : 동진쎄미켐,영창케미칼, 원재료는 이엔에프테크
4. 감광액 제거장비 (포토레지스트) : 피에스케이
5. 마스크 결함 장비 : 파크시스템즈

EUV 장비 중국 수출 금지 일화

빛을 쏘는 노광장비는 DUV,EUV가 있다.

DUV 는 ArF(193nm) , Krf(248nm) 의 두꺼운 광원을 사용하며 네덜란드의 ASML 점유율이 약 80%고 니콘이 20%를 차지한다.

미세공정에 필요한 EUV장비는 13.5nm 의 광원을 사용하여 아주 미세한 작업을 할 수 있는데 삼성전자가 7나노 이하의 미세공정에 사용하고 있으며 수율도 잡아가고 있는 상황이다. D램에도 사용한다고 하니 더욱 성능좋은 D램도 곧 만날 수 있겠다. 

중극 SMIC 은 2018년에 ASML과 EUV 공급 계약을 체결하였지만 미국과 중국간에 무역전쟁이 터졌다. 당시 미국 대통령 트럼프는 중국의 반도체 자급율을 높이는 것을 막기 위해 ASML을 압박하여 EUV 장비 주문을 중단시켰다. 그렇지만 그전에 계약하여 납품되기 직전이었던 장비가 1대 있었다. 

중국 SMIC에 납품되기 1개월전에 ASML 공장에서 의문의 화재 사건이 발생하였다.노광기가 거의 완성단계 였는데 완전히 전소하여 납품하지 못하게 된 것이다. 이럴경우 새로 만들어주는것이 일반적이지만 중국에 노광기를 공급하지 않겠다고 발표하여 중국과의 거래가 최종단계에서 중단되어 중국에는 EUV장비가 없다.

 EUV장비는 미국의 Cymer (사이머)기업에서 광원을 납품하기에 ASML의 EUV를 미국 기술이 들어간 장비로 간주하여 수출 시에 미국의 동의를 얻어야 수출할 수 있게 만들었다. 미국은  중국 장비 수출건에 대해 동의해주지 않고 있다. 또 바이든은 현재 최첨단 노광기 EUV뿐 아니라 DUV 장비까지 중국에 판매하지 말라고 요구하여 중국의 반도체 성장에 큰 압박을 가하고 있는 중이다.

어떻게 보면 우리나라 기업에는 좋은 것 같기도 한데.. 삼성전자와 SK하이닉스에도 중국 공장 증설 제한같은 이런저런 규제를 강요하고 있어 조금은 염려스럽기도 하다.

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지금까지 반도체 산화공정, 포토공정 및 밸류체인, EUV 장비 사건까지 알아보았다.우리나라 수출품목 1위인 반도체 산업은 공부할 것이 많고 많은 기업들이 연결되어 있기에 더욱 많은 공부가 필요한 분야인 것 같다.