[반도체 공부 2편] 웨이퍼란 무엇일까? 반도체가 시작되는 실리콘 원판

들어가면서

지난 1편에서는 반도체 기업의 CAPEX가 Fab과 장비를 거쳐 소재·부품, 테스트·패키징으로 이어지는 전체적인 흐름을 살펴봤습니다.

이번 글부터는 반도체 8대 공정을 하나씩 알아보려고 합니다.

가장 먼저 살펴볼 것은 웨이퍼(Wafer)입니다.

반도체 회로는 아무 곳에나 만들 수 있는 것이 아니라 아주 평평하고 깨끗한 원판 위에 만들어집니다.

이 원판이 바로 웨이퍼입니다.

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웨이퍼란 무엇일까?

웨이퍼는 쉽게 말하면 반도체 회로를 만드는 바탕이 되는 얇은 원판입니다.

대부분의 반도체는 실리콘(Silicon)을 기반으로 만들어지기 때문에 일반적으로 반도체 웨이퍼라고 하면 실리콘 웨이퍼를 의미하는 경우가 많습니다.

실리콘은 지구상에 풍부하게 존재하지만, 반도체에 사용하려면 매우 높은 수준의 순도가 필요합니다.

고순도 실리콘을 원통 형태의 단결정으로 성장시킨 뒤 얇게 잘라 웨이퍼를 만듭니다.

고순도 실리콘 -> 잉곳 -> 얇게 절단 -> 연마·세정 -> 웨이퍼

이렇게 만들어진 웨이퍼 위에서 이후 산화, 포토, 식각, 증착 같은 공정이 반복되면서 실제 반도체 회로가 만들어집니다.

웨이퍼는 반도체 회로를 만드는 출발점이라고 볼 수 있습니다.

이미지 출처: Wikimedia Commons - Silicon wafer.jpg

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웨이퍼는 어떻게 만들어질까?

웨이퍼 제조 과정은 실제로는 매우 정밀하고 복잡하지만, 입문 단계에서는 크게 네 단계 정도로 이해하면 충분합니다.

1. 단결정 잉곳 만들기

먼저 고순도 실리콘을 녹인 뒤 하나의 결정 방향을 가진 원통 형태의 잉곳(Ingot)으로 성장시킵니다.

반도체 회로는 매우 미세하기 때문에 결정 구조가 불규칙하면 이후 공정에서 문제가 발생할 수 있습니다.

그래서 균일한 단결정을 만드는 기술이 중요합니다.

이미지 출처: Wikimedia Commons - Single-crystal silicon boule.jpg

2. 잉곳을 얇게 자르기

완성된 잉곳을 일정한 두께로 얇게 잘라 원판 형태로 만듭니다.

이 단계부터 우리가 생각하는 웨이퍼의 모습과 비슷해집니다.

3. 표면을 평평하게 만들기

잘라낸 웨이퍼의 표면은 처음부터 완벽하게 평평하지 않습니다.

반도체 회로는 매우 작은 단위로 만들어지기 때문에 표면에 미세한 굴곡이나 손상이 있어도 이후 포토나 식각 공정에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 연마 과정을 거쳐 표면을 최대한 평탄하게 만들어줍니다.

4. 세정과 검사

마지막으로 웨이퍼 표면에 남아 있는 오염물질과 미세 입자를 제거하고 결함 여부를 검사합니다.

이 과정을 거친 웨이퍼가 삼성전자, SK하이닉스, TSMC 같은 반도체 제조사의 Fab으로 들어가게 됩니다.

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8인치와 12인치 웨이퍼는 무엇이 다를까?

반도체 기사에서 8인치 웨이퍼, 12인치 웨이퍼라는 표현도 자주 볼 수 있습니다.

말 그대로 웨이퍼의 지름을 의미합니다.

현재 첨단 메모리와 로직 반도체 생산에서는 주로 12인치(300mm) 웨이퍼가 사용됩니다.

웨이퍼가 커지면 한 장에서 만들 수 있는 반도체 칩의 수가 늘어나기 때문에 대량생산에 유리합니다.

반면 8인치 웨이퍼는 전력반도체, 아날로그 반도체, 디스플레이 구동칩 등 비교적 오래된 공정을 사용하는 제품에서도 계속 활용되고 있습니다.

이미지 출처: Wikimedia Commons - Silicon wafer diameter progression.jpg

※ 웨이퍼가 크다고 해서 무조건 더 좋은 반도체라는 의미는 아닙니다. 생산하려는 제품과 공정에 따라 적절한 웨이퍼가 사용됩니다.

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웨이퍼와 관련된 기업은?

반도체용 실리콘 웨이퍼 시장에는 몇몇 글로벌 기업이 주요 공급사로 자리 잡고 있습니다.

기업	국가	특징
SK실트론	한국	국내 대표 반도체용 실리콘 웨이퍼 제조사
Shin-Etsu Handotai	일본	글로벌 주요 실리콘 웨이퍼 업체
SUMCO	일본	글로벌 주요 반도체용 웨이퍼 업체
GlobalWafers	대만	글로벌 웨이퍼 공급사
Siltronic	독일	유럽의 대표적인 실리콘 웨이퍼 업체

국내에서는 SK실트론이 가장 대표적입니다.

삼성전자나 SK하이닉스처럼 실제 반도체를 만드는 회사와는 조금 다르게, SK실트론은 반도체 생산에 필요한 웨이퍼를 공급하는 소재 기업이라고 볼 수 있습니다.

즉 반도체 산업의 밸류체인을 단순하게 표현하면 다음과 같습니다.

웨이퍼 업체 -> 삼성전자·SK하이닉스 등 반도체 제조사 -> 산화·포토·식각·증착 등 전공정 -> 테스트·패키징

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투자자의 관점에서는 무엇을 봐야 할까?

1편에서 CAPEX를 살펴봤다면 웨이퍼부터는 실제 생산량이라는 개념이 중요해집니다.

반도체 회사가 새로운 Fab을 건설했다고 해서 그 순간부터 웨이퍼 소비량이 크게 증가하는 것은 아닙니다.

Fab에 장비가 설치되고 실제 생산이 시작돼야 웨이퍼가 투입됩니다.

이때 자주 등장하는 용어가 Wafer Starts입니다.

Wafer Starts는 일정 기간 동안 반도체 생산라인에 새롭게 투입되는 웨이퍼의 양을 의미합니다.

Fab 증설 -> 장비 설치 -> Wafer Starts 증가 -> 웨이퍼 수요 증가 -> 공정 소재·소모성 부품 사용 증가

최근 반도체 소부장 산업 자료에서도 CAPEX 자체보다 신규 Fab의 실제 웨이퍼 투입과 생산량 증가가 소재·부품 수요로 이어지는지를 중요하게 보고 있습니다.

따라서 웨이퍼 관련 기업을 볼 때는 단순히 "삼성전자와 SK하이닉스가 CAPEX를 늘린다"

에서 끝내기보다는 "실제 웨이퍼 투입량이 증가하고 있는가?"까지 확인하는 것이 중요하다고 생각합니다.

CAPEX는 생산능력을 만들고, Wafer Starts는 실제 생산이 증가하고 있는지를 보여주는 지표 중 하나입니다.

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웨이퍼 업체의 공장 증설도 하나의 신호

웨이퍼 업체의 증설 여부도 반도체 사이클을 판단할 때 살펴볼 만한 지표입니다.

웨이퍼 공장은 대규모 투자가 필요하고, 생산능력을 크게 늘린 이후 반도체 수요가 둔화되면 공급과잉으로 이어질 수 있습니다.

이 때문에 웨이퍼 업체들은 장기적인 수요 전망을 확인하면서 상대적으로 신중하게 생산능력을 확대하는 편입니다.

따라서 기존 생산라인의 증설을 넘어 신규 웨이퍼 공장 건설까지 진행된다면, 업계가 앞으로 웨이퍼 수요가 상당 기간 증가할 가능성을 높게 보고 있다는 신호로 해석할 수 있습니다.

흐름을 단순하게 정리하면 다음과 같습니다.

반도체 수요 증가 -> 반도체 업체 Fab 증설 -> Wafer Starts 증가 -> 웨이퍼 수요 증가 -> 기존 웨이퍼 생산능력 부족 -> 웨이퍼 업체 증설

다만 한 가지 주의할 점이 있습니다.

웨이퍼 업체의 신규 증설은 반도체 수요가 증가한 이후 결정되는 경우가 많기 때문에 사이클의 초입을 알려주는 선행지표라기보다는 중장기 수요를 확인하는 지표에 가깝습니다.

즉 웨이퍼 업체들이 대규모 CAPA 증설이나 신규 공장 건설에 나서기 시작했다면,

"반도체 업체뿐 아니라 원재료 공급업체까지 장기적인 생산량 증가를 예상하고 있구나."

정도로 해석해볼 수 있습니다.

웨이퍼 업체의 신규 CAPA 투자는 반도체 증설 사이클의 강도와 지속성을 판단할 때 확인해볼 만한 지표입니다.

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마무리하면서

웨이퍼는 반도체 8대 공정의 시작점입니다.

처음에는 단순한 실리콘 원판처럼 보이지만, 그 위에 수많은 미세 공정이 반복되기 때문에 높은 순도와 평탄도가 필요합니다.

이번 글에서 기억할 내용은 크게 세 가지입니다.

웨이퍼는 반도체 회로를 만드는 바탕이고,

대표적인 업체로 SK실트론·Shin-Etsu·SUMCO 등이 있으며,

투자자의 관점에서는 Fab 증설뿐 아니라 실제 Wafer Starts의 증가도 같이 볼 필요가 있다는 점입니다.

여기까지가 웨이퍼 제조 단계라면, 다음 글부터는 삼성전자나 SK하이닉스 같은 반도체 제조사 Fab 안에서 진행되는 공정을 살펴보려고 합니다.

그 첫 번째 단계로, 웨이퍼 표면에 얇은 산화막을 형성하는 산화 공정에 대해 알아보겠습니다.

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반도체 공부 시리즈

1. CAPEX부터 반도체 8대 공정까지
2. 웨이퍼 — 반도체가 시작되는 실리콘 원판
3. 산화 — 웨이퍼 위에 보호막 만들기
4. 포토 — 빛으로 반도체 회로 그리기
5. 식각 — 회로 패턴대로 반도체 깎기
6. 증착·이온주입 — 막을 쌓고 전기적 특성 만들기
7. 금속배선 — 반도체 내부에 전기가 흐르는 길 만들기
8. EDS — 정상 반도체와 불량 반도체 찾기
9. 패키징 — 반도체를 실제 제품으로 만들기

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※ 본 글은 반도체 산업을 공부하면서 정리한 개인적인 기록입니다. 특정 종목의 매수·매도를 권유하는 글이 아닙니다.