[반도체 투자로 부자되기 7] 웨이퍼 제조 공정 제대로 알고 투자하기

 

아래 보고서에 따르면 2023년 실리콘 웨이퍼 시장 규모는 약 202억 3천만 달러로 평가되었으며, 2024년부터 2031년까지 연평균 성장률(CAGR) 5.43%로 성장하여 2031년에는 약 308억 9천만 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 

실리콘 웨이퍼 시장 규모, 점유율 및 동향 [2031]

 

실리콘 잉곳은 다음과 같은 방법으로 생산됩니다. 

1. 미정제 실리콘: 실리콘 원재료는 고온에서 탄소와 반응해 MGS(금속급 실리콘)를 생성하며, 순도는 약 98~99%입니다. 반도체 소자로 사용하기 위해서는 추가 정제가 필요합니다.

 

2. 실리콘 정제: MGS는 염화수소와 반응해 TCS 기체를 형성하며, 이를 300°C에서 정제해 99.999999%의 순도로 만듭니다. TCS는 단결정 실리콘 고체를 위한 전구체로, 고온에서 수소와 반응해 고순도 다결정 실리콘(EGS)을 생산합니다.

 

 

 

이후 다결정 실리콘을 단결정 실리콘으로 변환하게 되는데 변환 방법은 초크랄스키 방법, 플로팅 존 방법이 있습니다.

3-1. 초크랄스키 방법: EGS를 고온에서 녹여 단결정 씨앗을 담갔다가 천천히 들어 올리는 방식입니다. 잉곳의 지름은 온도와 인상 속도로 조절되며, 도펀트 첨가로 특정 전기적 특성을 부여할 수 있습니다.

도펀트(Dopant)는 반도체의 전기적 특성을 조절하기 위해 소량 첨가되는 불순물입니다. 예를 들어, 실리콘에 도펀트를 첨가하면 반도체의 전기전도성이 크게 변화합니다. 대표적인 도펀트로는 인(P)이나 보론(B) 등이 있으며, 이를 통해 N형 또는 P형 반도체를 만들 수 있습니다. 도핑 과정을 통해 반도체 소자의 성능을 맞춤형으로 조절할 수 있습니다.

 

3-2. 플로팅 존 방법 : 다결정 실리콘을 부분적으로 녹여 단결정으로 재결정화합니다. 도가니를 사용하지 않아 고순도 실리콘을 만들 수 있으나, 생산 비용이 높고 대형 웨이퍼에는 적합하지 않습니다.

 

 

4. 슬라이싱 : 잉곳을 얇은 웨이퍼 형태로 절단합니다. 두께가 충분해야 하며, 절단 중 실리콘의 약 1/3이 부산물로 발생하지만 재활용됩니다. 절단 할때는 진동이 없는 환경에서 이루어져야 합니다.

 

5. 웨이퍼 연마 : 절단 과정에서 생긴 가장자리를 둥글게 다듬어 웨이퍼 취급을 쉽게 만듭니다. 이후 위 4번의 sawing 과정에서 발생된 손상을 제거 한 후 CMP(Chemical Mechanical poilshing) 공정을 통해 웨이퍼 표면을 연마하게 됩니다.

 

참고

에피택시(Epitaxy)는 기존 웨이퍼 위에 새로운 단결정 층을 형성하는 공정을 의미합니다. 이 과정은 웨이퍼의 결정 구조를 유지하면서 고순도의 박막을 추가하여 전자의 이동도를 향상시키고, 소자의 성능을 극대화하는 데 목적이 있습니다.

Epitaxy의 주요 특성은 아래와 같습니다.

결정 구조 유지: 기존 웨이퍼의 결정 구조를 그대로 이어받아 새로운 층을 형성함으로써, 전자의 이동 경로를 최적화합니다.

고순도 박막 형성: 불순물이 거의 없는 고순도의 박막을 추가하여 소자의 전기적 특성을 향상시킵니다.

전자 이동도 향상: 결정 구조의 규칙성을 통해 전자의 이동도를 높여 소자의 효율성을 증대시킵니다.

실리콘 웨이퍼와는 달리, 화합물 반도체 웨이퍼는 에피택시(epitaxy)라는 고도의 결정 형성 기술을 요구합니다. 에피택시 기술은 화합물 반도체의 정교한 결정 구조를 만들기 위해 필수적이며, 이를 위한 전용 장비가 필요합니다.

 

웨이퍼 공정의 주요 트렌드는 아래와 같습니다.

1. 웨이퍼 크기 확대: 300mm(12인치) 웨이퍼가 주류를 이루고 있으며, 450mm 웨이퍼에 대한 연구도 진행 중입니다. 웨이퍼 크기

 

2. 화합물 반도체 웨이퍼의 부상: 전기차, 5G 통신 등 고성능 전자기기의 수요 증가로 SiC(실리콘 카바이드)와 GaN(질화 갈륨) 등 화합물 반도체 웨이퍼의 수요가 급증하고 있습니다. 특히, SiC 웨이퍼는 전기차의 전력 효율 향상에 기여하며, 시장 규모가 빠르게 성장하고 있습니다. . 자동차 업계가 이전까지 사용한 Si 소재는 150도 이상 고온에서 반도체 성질을 잃는 단점이 있었습니다. 이로 인하여 고경도, 내전압·내열 특성이 뛰어난 SiC가 핵심 소재로 주목받고 있습니다.

 

3. 재생 웨이퍼 시장의 성장: 반도체 제조 공정에서 사용된 웨이퍼를 재생하여 비용을 절감하고 환경에 미치는 영향을 최소화하려는 노력이 증가하고 있습니다. 재생 웨이퍼 시장은 연평균 11.5% 성장하여 2029년에는 약 19억 7,900만 달러 규모에 이를 것으로 전망됩니다.

재생 웨이퍼(Reclaim Wafer)는 반도체 제조 공정에서 사용된 웨이퍼를 연마 및 세정 과정을 통해 복원하여, 신제품과 유사한 품질로 다시 사용할 수 있도록 만든 웨이퍼를 의미합니다.

주요 글로벌 기업은 RS Technologies, Kinik, Scientech Corporation, Phoenix Silicon International Corporation, Hamada Heavy Industries, Mimasu Semiconductor Industry 등이 있습니다.

국내 기업으로는 에이텍솔루션, 파인에코, 쎄닉, 신원테크, 신화콘텍 등이 있습니다.

 

확대는 생산 효율성을 높이고 비용 절감에 기여합니다.

 

4. 세계 주요 실리콘 웨이퍼 제조업체들이 2025년까지 총 10조 원 이상의 설비 투자를 계획하고 있습니다. 이는 반도체 수요 증가에 대비한 조치로, SK실트론, 일본의 신에쓰와 섬코, 대만의 글로벌웨이퍼스, 독일의 실트로닉 등이 대표적인 기업입니다.

반도체 웨이퍼 증설… 10조 쏟아붓는다

 

Sic 웨이퍼 시장은 아직 초기 단계이며, 시장 확대가 예상되기 때문에 글로벌 기업들이 적극적인 투자를 이어나가고 있습니다.

현재 Sic 웨이퍼 시장은 울프스피드(wolf speed) 약 49%, 투식스(II-VI Incorporated) 약 35%, SK실트론 약 9% 점유율을 보이고 있습니다.

 

따라서 웨이퍼 시장에 투자를 한다면, 실리콘 웨이퍼 시장이 아닌 연평균 성장률이 높은 Sic 웨이퍼 시장에 투자를 하는 것이 좋을 것으로 예상됩니다. 하지만 웨이퍼 시장은 아직 초기단계 이기 때문에 선두주자가 바뀔 위험이 있어 한 기업에 투자하는 것은 리스크가 있을 것으로 예상됩니다. 

이 글은 정보 제공을 목적으로 작성된 것이며, 특정 자산에 대한 매수 추천이나 투자 권유의 의도가 없습니다. 투자 결정은 독자 본인의 판단에 따라 이루어져야 하며, 본 글은 참고 자료로만 활용하시기 바랍니다.

 

 

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