인공지능 및 사물인터넷, 5G 등의 발전으로 인하여 반도체 산업이 크게 성장하고 있습니다.
반도체는 현대 사회의 성장 동력원으로 미래 사회의 변화를 이끌어 갈 것입니다.
오늘은 반도체의 종류 및 공정, 산업 및 회사 TOP3 가지를 알아보도록 하겠습니다.
반도체 란?
반도체는 다양한 전자 기기에 들어가는 부품으로 전기가 잘 통하는 도체와 전기가 잘 통하지 않는 부도체의 중간 정도의 전기 전도를 가진 물질입니다.
전기 기기에 들어가 있는 반도체는 정보 처리 및 정보 저장을 하고 전자기기의 작동을 제어 및 변환을 하여 전력을 효율적으로 사용하도록 합니다.
또한 감지 기능이 있어 자동차 및 산업 자동화 등 많은 분야에 활용이 되고 있습니다.
반도체 종류
반도체는 기능, 재료, 제조 방식으로 분류가 됩니다.
기능에 따른 분류
- 논리 반도체 : 전기 신호를 처리하고 계산하는 반도체로서 트랜지스터를 이용합니다. 대표적인 것으로는 컴퓨터의 중앙 처리 장치인 CPU, 데이터를 저장하는 메모리, 그래픽을 담당하는 GPU 가 있습니다.
- 전력 반도체 : 전력을 변환하여 효율적으로 사용하게 하는 반도체로, 대표적인 것으로는 전류가 한 방향으로 흐르게 하는 다이오드. 전류의 증폭 및 스위칭하게 하는 트랜지스터, 전압을 이용하여 전류를 제어하는 MOSFET가 있습니다.
- 광 반도체 : 빛을 이용해 정보를 처리하는 반도체로, 전류가 흐르면 빛을 방출하는 LED, 강력한 빛을 방출하는 레이저 다이오, 빛을 이용하여 정보를 전송하는 광섬유 등이 있습니다.
- 센서 반도체 : 외부 환경의 변화를 감지 후 전기 신호로 변환하는 반도체로, 빛을 전기 신호로 변환하는 이미지 센서, 온도를 감지하고 조절하는 온도 센서,. 압력을 감지하는 압력 센서 등이 있습니다.
재료에 따른 분류
- 규소 기반 반도체 : 규소는 가장 저렴하고 풍부하여 높은 성능을 구현하여 일반적인 반도체 재료입니다. 대표적인 것으로는 CMOS로 규소 기반 반도체의 대표적 기술이며, CMOS와 BJT 기술을 결합한 BiCOMS 기술이 있습니다.
- 화학물 반도체 : 규소 외 다른 재료를 사용한 반도체로 규소 기반 반도체 비해 높은 속도 및 전력 효율, 내열성 효과가 있습니다. 대표적인 것으로는 고속 전자 기기에 사용되고 있는 GaAs, LED, 푸른 레이저 다이오드 등에 사용되는 GaN, 고온, 고압 환경에 사용되는 SiC 등이 있습니다.
- 유기 반도체 : 플라스틱 등 유기 물질로 만들어진 반도체로 가공이 쉽고 저렴하지만 성능이 규소 기반 반도체에 비해 떨어집니다. 대표적인 것으로는 디스플레이, 태양광 전지, 전자 소자 등이 있습니다.
제조 방식에 따른 분류
- 웨이퍼 기반 반도체 : 얇은 웨이퍼를 기반으로 제조한 반도체로 대부분 반도체가 높은 정밀도와 양산 제조가 가능하기 때문에 대부분 웨이퍼 기반으로 제조됩니다.
- 박막 기반 반도체 : 유리, 플라스틱 등 다양한 기판 위에 박막 형태로 제작되는 반도체로, 가공이 쉽고 저렴하지만 웨이퍼 기반 대비 정밀도가 낮습니다. 대표적으로 유연 디스플레이, 태양광 전지 등이 있습니다.
기타 분류
- 디지털 반도체 : 0과 1의 디지털 신호를 처리하는 반도체
- 아날로그 반도체 : 연속적인 아날로그 신호를 처리하는 반도체
- 혼합 신호 반도체 : 아날로그 신호와 디지털 신호를 모두 처리하는 반도체
반도체 공정
반도체 제조 방식 중 가장 많이 사용하는 방식이 웨이퍼 기반 반도체로서 웨이퍼 기반 반도체에 대한 공정을 알려 드리겠습니다. 반도체 공정은 크게 웨이퍼 제조. 팹 공정, 패키징 공정으로 진행이 됩니다.
웨이퍼 제조
- 원재료 정제 : 원재료인 고순도의 실리콘을 정제하여 단결정 봉을 만들어 결정 성장에 활용합니다.
- 단결정 성장 : 정제된 실리콘 원재료를 녹이고 천천히 식혀 단결정 봉으로 성장시킵니다.
- 웨이퍼 슬라이싱 : 성장된 당결정 봉을 얇게 잘라 웨이퍼로 만듭니다.
- 웨이퍼 연마 : 얇게 잘린 웨이퍼 표면을 표면 결함이 없도록 매끄럽게 연마합니다.
- 산화 공정 : 전기적 특성을 조절할 수 있도록 웨이퍼 표면에 얇은 산화막을 형성합니다.
팹 공정
- 포토 공정 : 포토 레지스트에 회로 패턴을 구현하기 위하여 마스크를 이용하여 빛을 선택적으로 투사합니다.
- 식각 공정 : 포토 레지스트 패턴을 활용하여 웨이퍼 표면을 선택적으로 식각 합니다.
- 증착 공정 : 웨이퍼 표면에 박막을 형성하기 위하여 다양한 물질을 증착합니다.
- 도핑 공정 : 웨이퍼 전기적 특성을 조절하기 위하여 불순물을 첨가합니다.
- 금속 배선 공정 : 회로 패턴에 금속을 증착 및 패턴화 하여 전기 연결을 만듭니다.
패키징 공정
- 웨이퍼 검사 : 웨이퍼 전기적 특성을 검사하여 불량 칩 제거합니다.
- 다이싱 : 개별로 웨이퍼를 분리합니다.
- 칩 접합 : 패키징 기판에 칩을 결합합니다.
- 와이어 본딩 : 전기적으로 칩과 패키징 핀을 연결합니다.
- 몰딩 : 몰딩 재료로 칩과 패키징을 덮어 보호합니다.
- 패키징 검사 : 패키징 전기적 특성을 검사하여 불량 패키징 제거합니다.
주요 공정 기술
- EUV Lithography : 미세한 회로 패턴을 만들기 위한 기술로 극단자외선(EUV)을 활용한 기술입니다.
- 3D 적층 기술 : 3차원 구조의 반도체를 만드는 기술로 여러 칩을 쌓는 기술입니다.
- High-k Metal Gate : 게이트 성능을 향상하기는 기술로 기존 게이트 산화물보다 높은 유전 상수를 가진 재료를 사용한 기술입니다.
미래 반도체 공정
- 나노미터 공정 : 반도체는 갈수록 작아지고 있습니다. 그로 인하여 정말 작은 나노미터 공정을 개발하고 있습니다.
- 웨이퍼 후 공정 : 칩 생산 효율성을 높이기 위하여 웨이퍼 단계에 더 많은 공정을 진행하기 위하여 노력하고 있습니다.
- 인공지능 기반 자동화 공정 : 현재 사회는 인공지능을 활용한 분야가 많습니다. 반도체 공정에도 인공지능을 활용하여 자동화 및 최적화를 위하여 많은 노력을 하고 있습니다.
반도체 산업
반도체 산업은 현대 산업의 핵심 기술로 매우 중요한 역할을 하고 있고 컴퓨터를 넘어 스마트폰, 자율 자동차 등 모든 전자 기기에 필수로 사용되고 있습니다.
이러한 반도체 산업은 크게 설계, 제조, 팹 운영 및 장비, 재료, EDA 등으로 구성되어 있습니다.
설계
반도체 설계를 하는 대표적인 국가는 미국, 한국, 중국, 대만 등이 있습니다.
- 미국 : 엔비디아, 퀄컴, 브로드컴 등
- 한국 : 삼성전자, SK하이닉스 등
- 중국 : 화웨이, 비보, 오포 등
- 대만 : TSMC, MediaTek 등
제조
반도체 제조를 하는 대표적인 국가로는 한국, 대만, 중국, 일본 등이 있습니다.
- 한국 : 삼성전자, SK하이닉스 등
- 대만 : TSMC, UMC 등
- 중국 : SMIC, Hua Hong Semiconductor 등
- 일본 : Kioxia, Sony Semiconductor Solutions 등
팹 운영
팹 운영을 하는 대표적인 기업으로는 TSMC, 삼성전자, SK하이닉스 등이 있습니다.
장비
대표적인 기업으로는 ASML, Nikon, Canon 등이 있습니다.
재료
대표적인 기업으로는 Shin-Etsu Chemical, Dow, DuPont 등이 있습니다.
EMA
대표적인 기업으로는 Synopsys, Cadence Design Systems, Mentor Graphics 등이 있습니다.
반도체 대표적인 회사 TOP3
삼성전자
삼성전자는 1969년에 설립된 대한민국의 대표적인 기업입니다.
대표 사업으로는 메모리 반도체 및 파운드리, 시스템 반도체 등이 있으며, 2023년 매출은 약 370조 원으로 대한민국 전자 기기 대표 기업입니다.
- 주요 특징 : 세계 최대 메모리 반도체 생산 및 세계 2위 파운드리 기업으로 3 나노미터 공정 양산에 성공을 하였습니다. 현재 인공지능 및 사물인터넷, 5G 등 차세대 기술 분야에 적극 투자를 하고 있습니다.
- 대표 사업 : 메모리, 파운드리, 시스템 반도체
- 장점 : 다각화된 포트폴리오, 3 나노미터 공정 기술, 자체 설계 능력
- 단점 : 높은 투자 비용
TSMC
TSMC는 1987년에 설립된 대만의 대표적인 기업으로 2023년 매출이 약 70조 원 기업입니다.
대표 사업은 파운드리이며 첨단 공정 기술 및 높은 생산 능력을 가지고 있습니다.
- 주요 특징 : 세계 최대 파운드리 기업으로 3 나노미터 공정 양산에 성공을 하였고, 애플, 엔비디아 등 주요 기업의 파트너입니다.
- 대표 사업 : 파운드리
- 장점 : 첨단 공정 기술, 높은 생산 능력
- 단점 : 자체 설계 역량 부족
SK 하이닉스
SK하이닉스는 1983년에 설립된 대한민국 대표 기업으로 2023년 매출 약 40조 원 입니다.
- 주요 특징 : 세계 2위 DRAM 생산 기업으로 3 나노미터 공정 개발 진행 중이며, 차세대 메모리 기술을 개발하고 있습니다.
- 대표 사업 : 메모리
- 장점 : 높은 기술력, 경쟁력 있는 비용
- 단점 : 파운드리 사업 규모
마치며
반도체 산업은 끊임없이 개발되고 진화되고 있습니다.
이는 미래 사회 변화를 주도할 기술로 인공 지능, 사물인터넷, 5G 통신에 없어서는 안 될 기술입니다.
앞으로 우리 사회를 더욱 빠르고 효율적으로 성장시킬 것입니다.
감사합니다.