1. 반도체란 무엇인가?
반도체는 독특한 전자적 특성을 나타내는 물질로, 전기 전도도가 도체와 절연체의 중간에 위치합니다. 반도체 재료는 트랜지스터와 다이오드와 같은 부품을 제조하는 데 사용되며, 이는 전자 장비의 핵심 요소입니다.
반도체는 태양광 전지나 LED와 같은 비교적 단순한 장치에도 사용되지만, 더 일반적으로는 집적회로(IC), 마이크로프로세서, 메모리 칩 및 블루투스, Wi-Fi, 모바일 통신과 같은 통신 모듈을 구동하는 칩으로 제조됩니다. 또한, 반도체는 ABS(자동차의 안티록 브레이크 시스템)와 같은 시스템에서도 중요한 역할을 합니다.
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2. 통합회로(IC)란 무엇인가?
통합회로(IC, integrated circuit)는 마이크로칩 또는 간단히 칩이라고도 불리며, 수백만 개의 트랜지스터와 저항기, 커패시터 등의 전자 부품을 작은 반도체 기판에 집적한 전자 부품입니다. 이 기판은 일반적으로 실리콘으로 만들어지며, 이 기판을 칩이라고 부르기 때문에 IC를 흔히 칩이라고도 부릅니다.
통합된 여러 요소들은 협력하여 데이터 처리, 데이터 저장, 신호 증폭 또는 발진기, 카운터, 논리 게이트 등의 기능을 수행합니다.
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3. 웨이퍼(wafer)란 무엇인가? 웨이퍼와 칩(chip)의 차이
전자공학에서 웨이퍼는 주로 실리콘으로 이루어진 얇고 원형의 반도체 재료로, 마이크로칩을 생산하는 기본 기판 역할을 합니다. 제조 과정에서 웨이퍼 위에 여러 층의 재료가 증착되고, 복잡한 패턴이 새겨져 집적회로가 형성됩니다. 이 후, 웨이퍼는 작은 개별 구성 요소인 칩으로 절단됩니다.
즉, 웨이퍼는 칩을 만들기 위한 원재료이며, 웨이퍼가 여러 칩으로 분리되는 과정을 거쳐 최종적으로 개별 칩이 만들어집니다.
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4. 반도체 공급망
반도체 산업 체인은 크게 세 부분으로 나눌 수 있습니다: IC 설계, IC 제조, IC 패키징 및 테스트.
많은 IC 설계 회사들은 무공장 반도체 회사(Fabless)로, 이들은 자체적으로 칩을 설계하고 판매하지만, 칩의 제조와 패키징 및 테스트 과정은 외주로 맡깁니다. 자주 언급되는 무공장 반도체 회사(Fabless)로는 Qualcomm(퀄컴), NVIDIA(엔비디아), Broadcom(브로드컴) 등이 있습니다. 이러한 회사들은 칩을 설계한 후, 제조와 테스트는 외부에 위탁하고 최종적으로 제품을 직접 판매합니다.
한편, IC 제조는 파운드리(Foundry)라고 불리는 전문 반도체 제조업체가 담당합니다. 대표적인 파운드리(Foundry) 업체로는 TSMC(타이완 반도체 제조 회사), UMC(유나이티드 마이크로일렉트로닉스), GlobalFoundries(글로벌파운드리스) 등이 있으며, 이들은 설계된 IC를 실제 제품으로 제조하지만, IC 설계나 패키징, 테스트는 하지 않습니다. DB 하이텍(DB HiTek)도 이와 같은 파운드리(Foundry) 회사로, 웨이퍼 제조 서비스를 제공합니다.
IC 패키징 및 테스트를 전문으로 하는 회사들은 OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test)라고 부르며, 주요 업체로는 ASE(일월광), Amkor(앰코), JCET(장전 테크놀로지), SPIL(실리콘웨어) 등이 있습니다. 이처럼 무공장 반도체 회사(Fabless), 파운드리(Foundry), 그리고 OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test) 업체들이 협력하여 반도체 산업의 완전한 분업 체계를 형성합니다.
추가로, IDM(Integrated Device Manufacturer, 종합 반도체 업체)이라는 수직 통합 제조업체도 있습니다. Intel(인텔), Samsung Electronics(삼성전자), Texas Instruments(텍사스 인스트루먼츠)와 같은 회사들은 칩 설계를 직접 진행하고, 자체 웨이퍼 공장에서 칩을 제조하며, 패키징과 테스트까지 모두 자체적으로 수행합니다. 즉, IDM 회사들은 반도체 산업의 상·중·하위 과정을 모두 아우르며 완전한 생산 능력을 갖추고 있습니다. SK 하이닉스(SK Hynix)도 잘 알려진 IDM 회사로, 특히 메모리 칩 생산에 중점을 두고 있습니다.
1 ) 반도체 산업의 상류 부문
반도체 산업의 상류 부문은 IC 설계에 집중하며, 여기서 기업들은 칩의 기능을 설계하고 검증하여 개념을 칩 설계로 전환합니다.
- 메모리 IC: 데이터를 저장하고 프로그램 명령어를 보관하며, PC, 스마트폰, 게임 콘솔, 디지털 카메라 등에 사용됩니다.
- 마이크로 컴포넌트 IC: CPU와 GPU를 포함하며, 데이터 처리와 명령을 처리합니다. 스마트폰, 자동차 전자 장비, 가전 제품 등에 사용됩니다.
- 로직 IC: 논리 연산을 수행하고 신호를 제어하며, 통신 장비, 자동차 전자 장비, 산업 자동화에 사용됩니다.
- 아날로그 IC: 전압과 전류와 같은 연속 신호를 처리하며, 오디오 장비, 무선 통신, 전력 관리, 센서 등에 사용됩니다.
2 ）반도체 산업의 중류 부문
IC 설계가 완료되면 생산 단계로 넘어갑니다. 반도체 산업의 중류 부문인 IC 제조는 웨이퍼 생산과 가공을 포함하며, 설계된 회로를 웨이퍼 위에 구현하여 칩(IC)을 만드는 과정입니다.
3 ) 반도체 산업의 하류 부문
제조가 완료된 후 다음 단계는 웨이퍼의 기능을 검사하는 것입니다. 반도체 산업의 하류 부문은 IC 패키징과 테스트를 포함합니다. 반도체 패키징 과정에서는 제조 단계에서 생산된 웨이퍼를 개별 IC 다이로 절단한 후, 전기적 연결을 제공하는 보호 패키지에 넣습니다. 패키징이 완료된 후, IC 테스트를 통해 포장된 IC가 제대로 작동하고 성능 사양을 충족하는지 확인합니다. 이 모든 과정이 완료된 후에야 IC는 시장에 출시될 수 있는 최종 제품, 즉 칩이 됩니다.
5. 웨이퍼는 어떻게 만들어질까?
웨이퍼는 칩을 제조하기 위한 초기 재료로 사용됩니다. 웨이퍼는 주로 단결정 실리콘으로 만들어진 얇고 원형의 실리콘 기판입니다. 웨이퍼 제조 공정은 두 가지 주요 단계로 나뉩니다. 첫 번째 단계는 웨이퍼 세정, 결정 성장, 잉곳 인발, 웨이퍼 절단 및 연마를 포함하고, 두 번째 단계인 웨이퍼 가공 단계에서는 증기 증착, 포토레지스트 코팅, 노광, 현상, 식각, 포토레지스트 제거 및 최종 세정과 같은 공정을 거칩니다.
웨이퍼 세정 Wafer Cleaning
웨이퍼 원자재의 표면은 고온 용융과 HF(불산) 또는 KOH(수산화 칼륨)와 같은 용제를 통해 세정하여 오염물과 유기 잔여물을 제거합니다. 이 공정은 기판의 우수한 품질을 확보하기 위해 필수적입니다.
결정 성장 Crystal Growth
고순도 실리콘 원료인 이산화규소는 제련을 위해 용광로에 투입되며, 이를 환원하여 금속질 실리콘으로 변환합니다. 이후 증류 정제 과정을 거쳐 천천히 분해되어 다결정 실리콘이 생성됩니다.
잉곳 인발 Ingot Pulling
다결정 실리콘은 석영 도가니에서 붕산과 인을 첨가해 용해되며, 고온에서 단결정 실리콘 막대(씨앗 결정)를 침지한 후 회전시키면서 서서히 인발됩니다. 실리콘은 씨앗 결정에 부착하여 막대에 균일하게 응고되며, 이를 통해 기둥 모양의 단결정 실리콘 잉곳이 형성됩니다.
웨이퍼 절단 Wafer Slicing
갓 생산된 결정 기둥은 표면이 고르지 않습니다. 이를 처리하기 위해 산업용 다이아몬드 공구를 사용하여 테이퍼 끝을 제거하고, 직경을 조정한 후 고경도 톱날 또는 와이어 톱을 이용해 웨이퍼로 절단합니다.
연마 및 래핑 Polishing & Lapping
웨이퍼 절단 후 표면이 거칠어지므로 연마 및 래핑 공정이 필요합니다. 연마는 결정 표면을 더욱 매끄럽고 광택 있게 만드는 것이 목적이며, 래핑은 웨이퍼의 가장자리를 부드러운 곡선으로 다듬는 작업입니다.
CVD (Chemical Vapor Deposition)
CVD는 가스 전구체를 반응 챔버에 주입하는 공정입니다. 이 가스들이 가열된 기판과 접촉하면 증착 재료가 생성되어 기판 표면에 얇은 막을 형성합니다. 이 공정은 절연층 또는 전도층을 생성하는 데 사용됩니다.
포토레지스트 코팅 Photoresist Coating
포토레지스트는 노출 시 화학적 변화를 겪습니다. 먼저 웨이퍼 표면에 균일한 포토레지스트 층이 코팅되며, 이후 노광과 현상 단계에서 제거되거나 유지되어 원하는 패턴을 형성합니다.
노광 Exposure
포토마스크의 패턴을 사용하여 포토레지스트 층에 자외선을 노출시킵니다. 포토마스크를 포토레지스트가 코팅된 웨이퍼에 정렬한 후, 빛이 닿은 영역에서 포토레지스트 층에 화학 반응이 일어나 포토화학 반응을 유도합니다.
포토리소그래피
Photolithography
웨이퍼를 현상액에 노출시키면(일반적으로 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 첨가제를 포함할 수 있음) 노출되지 않은 포토레지스트 층이 선택적으로 제거되고, 노출된 영역에 템플릿이 남게 됩니다.
식각 Etching
산성 또는 알칼리성 식각 용액을 사용하여 포토레지스트 층의 패턴을 기반으로 기판 아래의 재료를 제거합니다. 웨이퍼 표면의 보호된 영역(노출된 포토레지스트 영역)은 영향을 받지 않으며, 이를 통해 칩의 미세 구조가 형성됩니다.
포토레지스트 제거 Photoresist Stripping
현상 후 잔여 포토레지스트는 화학적, 열적, 또는 기계적 방법(예: 제거용 용액)을 통해 제거되며, 이는 장치 성능에 미치는 부정적인 영향을 방지하기 위함입니다.
최종 세정 Final Cleaning
마지막으로 칩은 유기 또는 무기 용제, 계면활성제, 초음파 세정 기술 등을 이용한 2차 세정 과정을 거칩니다. 이를 통해 제조 과정에서 남은 화학 물질과 입자를 제거하여 생산된 칩이 깨끗하고 규격을 충족하도록 보장합니다.
6. 반도체 산업에서 유량계와 노즐의 응용
응용 1: 화학 물질 흐름 모니터링
반도체 제조에서는 복잡하고 정밀한 공정으로 인해 화학 액체 흐름의 정확한 제어가 필수적입니다. 생산 과정의 각 단계는 정확한 화학 물질 공급과 유량에 의존하며, 이는 최종 제품의 품질과 안정성에 영향을 미칩니다. 유량계는 파이프라인 내의 유체 흐름을 정확하게 제어하고 모니터링하여 제품 품질과 성능을 보장하는 중요한 역할을 합니다.
사례: 중국 기술 반도체 공장
상황: 중앙 화학 공급 시스템이 없는 전통적인 공장들은 다양한 화학 물질을 각기 다른 지역과 장비로 별도로 운반하는 경우가 많습니다. 이러한 방식은 화학 물질 사용 최적화에서 비효율성을 초래할 수 있으며, 잠재적인 안전 위험을 동반할 수 있습니다.
해결책: LORRIC FP-AS510 패들휠 유량계
이 문제를 해결하기 위해, 우리는 회사 공장 내에 중앙 화학 물질 저장실을 구축할 것을 권장했습니다. 작업 중에는 화학 물질이 중앙에서 각 장비로 공급되며, FP-AS510 패들휠 유량계를 사용하여 필요한 양을 정확하게 계산함으로써 공정 중 발생하는 화학 물질 손실 비용을 줄일 수 있습니다. FP-AS510 패들휠 유량계는 다수의 국제 특허와 인증을 보유하고 있으며, 특허받은 AxleSense 기술을 특징으로 합니다. 물레방아 날개 구조를 통해 유체가 흐를 때 극히 미세한 흐름도 감지하여 정밀한 액체 측정을 달성할 수 있습니다. 또한 FP-AS510은 날개 상태의 이상 여부를 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 날개의 소실로 인한 무유량 문제도 감지할 수 있습니다. FP-AS510을 설치함으로써 화학 준비 과정에서 각 장비에 필요한 용량을 정확하게 계산할 수 있어 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 더욱이, 화학 물질은 고농도 및 부식성이 강해 저장 및 운반 시 위험을 초래할 수 있는데, FP-AS510의 사용으로 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. 이 제품은 PVDF 소재로 제작되어 용매 및 산·알칼리 부식에 뛰어난 저항성을 제공하며, 화학 물질 부식 및 누출에 대한 우려를 해소하고 작업장 안전을 향상시킵니다.
응용 2: 초순수의 측정 및 모니터링
반도체 제조에서는 웨이퍼 세정, 전자 부품 헹굼, 식각 등 다양한 공정에서 대량의 초순수가 사용됩니다. 초순수 처리 과정에서는 정밀한 유량 측정이 필수적입니다. 예를 들어, 역삼투(RO) 공정에서는 농축수의 유량을 측정하여 농축 비율을 제어하고 막 스케일링을 방지하는 것이 중요합니다. 또한, 물 흐름을 지속적으로 모니터링하면 RO 장비의 성능을 평가하고 잠재적인 결함이나 이상을 신속히 감지할 수 있습니다. 탈이온화(DI) 공정에서는 이온 교환 수지를 사용하여 물에서 이온을 제거하며, 수지 통과 유량과 역세액 유량을 모니터링하여 효과적인 이온 제거가 이루어지도록 해야 합니다. 더불어, 초순수 처리 과정에서 화학 물질 첨가 단계에서는 소독제(염소, 이산화염소, 오존)나 미생물 제거를 위한 약제, 또는 pH 조절제(황산, 수산화나트륨)의 용량을 측정하여 수질 안정성을 유지하는 등의 정밀한 화학 약품 투여 제어가 필요합니다. 따라서 초순수 처리 작업에서는 매우 정확한 액체 유량 측정과 화학 저항성을 갖춘 측정 도구가 요구됩니다.
사례: 대만의 주요 반도체 파운드리
상황: 이 회사는 초순수 시스템, 폐수 재활용 및 폐수 처리 프로젝트를 포함한 수처리 시스템 엔지니어링을 전문으로 하고 있습니다. 초순수 처리 단계에서는 초순수가 비전도성 물질이기 때문에 일반 전자기 유량계를 사용할 수 없습니다. 회사는 초음파 유량계 솔루션을 모색했으나, 시장에서 제공되는 일반 모델은 설치 및 설정 절차가 복잡하고 번거로웠으며, 정기적으로 초음파 젤을 보충해야 하는 불편함이 있었습니다. 또한, 초순수 처리 단계에서 소량의 액체를 정밀하게 측정하고, 우수한 화학 저항성을 보장하는 솔루션이 필요했습니다.
해결책: LORRIC의 초음파 유량계
우리는 회사의 초순수 처리 장비에 LORRIC의 초음파 유량계를 설치할 것을 권장했습니다. 이 유량계는 설치가 용이하며, 양방향 유량 측정이 가능해 유량 방향에 대한 걱정을 해소하고, 특허받은 프로브 트랙으로 정확한 위치를 제공하며, 고정 장치를 통해 안전한 장착을 보장합니다. 이를 통해 유량 정확도를 향상시키고, 안정성을 보장하며, 비파괴 방식으로 제거 및 유지 관리가 가능해 설치 과정을 간소화합니다. LORRIC의 초음파 유량계는 두 개의 센서를 사용하여 초음파 파동 주파수를 측정하고, 이를 통해 정확한 유속을 계산합니다. 이 유량계는 RO 시스템에 이상적이며, 초필터 막을 통해 고농도의 물을 모니터링하여 안정성을 유지하고, DI 공정에서는 이온 교환 수지를 통해 이온 제거를 최적화합니다. 또한 이 유량계는 우수한 화학 저항성을 제공하여 특정 요구 사항을 충족합니다.
응용 3: 반도체 배기가스 처리의 핵심 부품인 스파이럴 노즐
반도체 제조 과정에서 암모니아, 이산화황, 이산화질소, 불산 등 유해 가스가 배출가스로 발생합니다. 이에 따라 배기가스 처리 탑에서는 스파이럴 노즐을 사용하여 알칼리성 용액(수산화나트륨)과 같은 세정제를 분사하여 산성 가스(암모니아)를 중화하거나, 산성 용액(불산)을 분사하여 알칼리성 가스(수산화나트륨, 수산화암모늄)를 중화합니다. 이 과정에서 유해 물질이 안정적이고 관리 가능한 화합물로 전환되며, 이를 통해 공장에서 배출되는 배기가스를 정화하고, 배기가스 처리 규정을 준수하여 지속 가능한 발전 목표를 촉진합니다.
사례: 대만의 주요 웨이퍼 파운드리
상황: 주류 브랜드의 노즐은 주로 플라스틱 사출 성형을 통해 생산되며, 금형에서 직접 노즐 모델을 제작합니다. 이러한 제조 방식은 스파이럴 노즐의 정밀한 나선형 표면과 원추형 채널을 구현하는 데 한계가 있어 분사 면적이 작고 성능이 떨어집니다. 또한, 일반적인 노즐은 PP(폴리프로필렌)를 사용하여 강도와 경도가 부족하고, 쉽게 파손되며, 고온 화학 환경에 대한 저항력이 제한적입니다. 이로 인해 이러한 노즐은 최적의 분사 범위를 달성하지 못할 뿐만 아니라, 반도체 산업의 폐기물 처리에 필요한 내식성도 부족합니다.
해결책: LORRIC 스파이럴 노즐
LORRIC의 스파이럴 노즐은 정밀 가공을 통해 제작되며, 견고한 원추형 나선 모양으로 조각된 노즐입니다. 더 넓은 이물질 경로를 제공하여 불순물로 인한 막힘을 효과적으로 방지하며, 분사 범위는 시장의 다른 브랜드보다 넓고 최대 170도까지 가능합니다. 또한, LORRIC의 스파이럴 노즐은 고품질 내식성 소재인 UPVC(염화비닐수지)와 PEEK(폴리에터에테르케톤)로 제작되어 화학 반응이 강한 환경에서도 노즐의 수명을 연장시킵니다. 이는 반도체 제조 산업의 배기가스 처리에 최적의 선택입니다.