반도체 산업구조
반도체 산업은 반도체 설계 및 제조에 종사하는 기업들로 이루어진 산업입니다. 반도체 산업은 반도체 소자 제조가 성공적인 사업이 된 후 1960년경에 형성되었습니다. 2018년 기준 반도체 연간 매출은 4,810억 달러 이상으로 성장했으며 2011년 기준 연간 전력 전자제품 매출이 2,180억 달러, 2020년 연간 가전제품 매출이 2조 9,000억 달러, 첨단 기술 산업의 매출은 2019년 5조 달러에 달할 것으로 예상되며, 2017년 29조 달러를 넘어선 전자상거래는 전자 산업의 확장을 이끄는 원동력입니다. 가장 널리 사용되는 반도체 소자는 1959년 벨 연구소의 마틴 아탈라와 강대원이 발명한 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 또는 MOS 트랜지스터입니다. MOSFET의 스케일링과 소형화는 1960년대 이후 반도체 기술의 급속한 기하급수적 성장의 주요 요인이었습니다. 전체 트랜지스터의 99.9%를 차지하는 MOSFET는 반도체 산업의 원동력이자 역사상 가장 널리 제조된 소자로, 1.3 × 1022 MOSFET는 1960년대에서 2018년 사이에 제조되었습니다.
또한 글로벌 반도체 산업은 미국, 한국, 대만, 네덜란드의 기업들이 주도하고 있습니다. 이 업계의 독특한 특징은 지속적으로 성장하고 있지만 변동성이 큰 주기적 패턴을 가지고 있다는 점입니다. 현재 반도체 산업의 20년 평균 성장률은 약 13%이며 이는 평균 이상의 시장 변동성을 동반하며 극적인 주기적 변동은 아니지만 상당한 변동을 초래할 수 있습니다. 반도체 소자가 내장된 많은 제품의 수명 주기가 매우 짧은 경우가 많기 때문에 시장의 급격한 변화 속도에 지속적으로 대응하기 위해서는 높은 수준의 유연성과 혁신이 필요합니다. 반도체 산업의 지속적인 가격 대비 성능 개선 속도는 엄청납니다. 그 결과 반도체 시장의 변화가 매우 빠르게 일어나면서 더 느린 속도로 발전하는 산업의 변화를 기대할 수 있습니다. 반도체 산업은 전체 전자 제품 가치 사슬의 핵심 동인이자 기술적으로 가능한 요소로 널리 알려져 있습니다.
반도체 제조
반도체 소자 제작은 일반적으로 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 메모리와 같은 집적 회로를 포함하는 반도체 소자를 제조하는 공정입니다. 이는 열산화, 박막 증착, 이온 주입, 에칭 등의 단계를 거친 다단계 포토리소그래피 및 물리화학 공정으로, 일반적으로 순수 단결정 반도체 재료로 만든 웨이퍼에서 전자 회로가 점진적으로 생성됩니다. 실리콘은 거의 항상 사용되지만 특수 목적을 위해 다양한 화합물 반도체가 사용됩니다. 에칭 및 포토리소그래피와 같은 단계를 통해 LCD 및 OLED 디스플레이와 같은 다른 장치를 제조할 수 있습니다. 제조 공정은 파운드리 또는 "팹"이라고도 하는 고도로 전문화된 파운드리에서 수행됩니다. 그 핵심에는 "클린룸"이 있습니다. 최신 14/10/7 nm 노드와 같은 고급 반도체 장치의 경우 제조에 최대 15주가 소요될 수 있으며, 업계 평균은 11~13주입니다. 고급 제조 시설의 생산은 완전히 자동화되어 있으며, 자동화된 재료 취급 시스템은 기계 간 웨이퍼 운송을 담당합니다. 하나의 웨이퍼에는 여러 개의 집적 회로가 있으며, 이는 하나의 웨이퍼에서 절단된 조각이므로 다이라고 합니다. 개별 다이는 웨이퍼 절단이라고도 하는 다이 싱글레이션 공정을 통해 완성된 웨이퍼에서 분리됩니다. 그런 다음 다이는 추가 조립 및 패키징 공정을 거칠 수 있습니다.
제조 공장 내에서 웨이퍼는 FOUP. 많은 팹의 FOUP는 웨이퍼 표면의 구리 산화를 방지하기 위해 내부 질소 분위기를 포함하고 있습니다. 구리는 현대 반도체에서 배선에 사용됩니다. FOUP 및 처리 장비의 내부는 깨끗한 실내의 주변 공기보다 더 깨끗하게 유지됩니다. 이 내부 분위기는 미니 환경으로 알려져 있으며, 웨이퍼의 작동 장치 수를 증가시키는 데 도움이 됩니다. 이 미니 환경은 장비 프런트 엔드 모듈 내에 위치하여 장비가 FOUP를 수신하고 FOUP에서 장비로 웨이퍼를 도입할 수 있도록 합니다. 또한 많은 장비가 오염을 줄이고 공정 제어를 개선하기 위해 깨끗한 질소 또는 진공 환경에서 웨이퍼를 처리합니다. 제조 공장은 생산 기계 내의 대기를 유지하기 위해 대량의 액체 질소가 필요하며, FOUP는 질소로 지속적으로 퍼지 됩니다. FOUP과 EFEM 사이에 공기 커튼이나 메쉬가 있어 FOUP에 들어오는 수분의 양을 줄이고 수율을 향상하는 데 도움이 될 수 있습니다. 산업용 반도체 제조 공정에 사용되는 기계를 제조하는 회사로는 ASML, Applied Materials, Tokyo Electron, 그리고 Ram Research가 있습니다.
반도체 공정크기
반도체 공정 크기는 반도체 제조 공정에서 패터닝될 수 있는 가장 작은 선의 폭에 의해 결정됩니다. 이 측정을 선 폭이라고 합니다.
패터닝은 제조 공정 중에 장치 설계 또는 패턴을 정의할 수 있는 포토리소그래피를 자주 말합니다. F2는 반도체 제조 공정의 피처 크기에 따라 반도체 장치의 다양한 부분에 대한 면적 측정값으로 사용됩니다. 많은 반도체 장치는 셀이라는 섹션으로 설계되며, 각 셀은 데이터를 저장하는 메모리 셀과 같이 장치의 작은 부분을 나타냅니다. 따라서 F2는 이러한 셀 또는 섹션이 차지하는 면적을 측정하는 데 사용됩니다. 일부 반도체 공정에는 칩의 각 층에 대한 최소 크기, 폭 또는 임계값과 간격에 대한 구체적인 규칙이 있습니다. 일반적으로 새로운 반도체 공정은 최소 크기가 더 작고 간격이 좁습니다. 경우에 따라 이를 통해 생산 시 현재 칩 설계를 단순히 다이링크하여 비용을 절감하고 성능을 개선하며 트랜지스터 밀도를 높일 수 있습니다.
초기 반도체 공정에는 여러 세대에 걸쳐 임의의 이름이 사용되었습니다. 이후 각 새로운 세대 공정은 기술 노드 또는 공정 노드로 알려지게 되었으며, 이는 공정의 트랜지스터 게이트 길이의 최소 특징 크기로 지정되었습니다. 그러나 1994년 이후에는 그렇지 않았으며, 공정 노드의 이름을 짓는 데 사용되는 나노미터 수는 기능적 특징 크기나 트랜지스터 밀도와 표준화된 관계가 없는 마케팅 용어가 되었습니다. 처음에는 트랜지스터 게이트 길이가 프로세스 노드 이름보다 작았지만, 이러한 추세는 2009년에 반전되었습니다. 특징 크기는 마케팅에 사용되는 나노미터와 관련이 없을 수 있습니다. 예를 들어, 인텔의 이전 10nm 공정은 실제로 7nm 폭의 특징인 핀펫 핀의 끝 부분을 가지고 있으므로 인텔 10nm 공정은 트랜지스터 밀도 측면에서 TSMC의 7nm 공정과 유사합니다. 또 다른 예로, 글로벌 파운드리스의 12nm 및 14nm 공정은 유사한 특징 크기를 가지고 있습니다.