반도체 가치사슬(Value Chain) 모든 단계에서 재료 분석과 공정 제어 전략은?

반도체 시장은 AI, 데이터 센터, 자동차 전동화, IoT, 소비자 가전 등 혁신적인 변화에 힘입어 2030년까지 1조 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다. 제조업체에게 이는 기회이자 위협입니다. 수요에 부응하지 못하면 뒤처질 수밖에 없습니다.

소재 일관성 확보, 공정 제어 강화, 수율 저하 없이 생산량 확대를 실현하는 것이 선두 기업과 경쟁 기업의 차이를 결정짓는 핵심 요소입니다. 반도체 제조업체는 분말에서 패키지에 이르기까지 소재 일관성을 보장하기 위해 생산 단계별로 다음과 같은 기술을 도입해야 합니다.

1. 전구체(Precursor) 재료 분석 – 반도체 공정의 출발점

화학 기상 증착 CVD(chemical vapor deposition), 원자층 증착 ALD(atomic layer deposition), 물리적 기상 증착 PVD(physical vapor deposition) 등 박막 증착 공정에서 사용하는 전구체 분말과 가스는 다음과 같은 특성을 갖춰야 합니다:

• 균일한 입도, 형상
• 높은 상 순도 및 원소 순도
• 표면 특성의 정밀한 제어

조그만 형태 변화나 표면 변화도 박막 형성에 영향을 줄 수 있어, 전 공정의 재현성과 안정성 확보가 필수입니다. 이를 위해 다차원 재료 분석 툴 박스가 활용됩니다:

• Mastersizer 와 Morphologi 4 는 레이저 회절과 입형 분석을 통해 입자 크기와 형태에 대한 insight를 제공합니다.
• 3Flex 와 TriStar 는 가스 흡착을 통해 표면적과 기공 크기를 보여줍니다.
•  X’Pert³ MRD 장비를 통해 XRD 기술로 결정상 식별이 가능합니다.
• XRF 기술의 Epsilon 4 장비로는 원소 조성과 순도 분석 정보를 제공합니다.

2. 웨이퍼(Wafer) 단계 – 결정 방향과 구조의 정밀 제어

웨이퍼 결정 구조의 방향성은 특히 실리콘(Si)을 넘어 SiC, GaN, InP, Ga₂O₃ 같은 와이드 밴드갭(Wide Bandgap) 재료로 확장되는 상황에서 더욱 중요해졌습니다.
결정 방향(Crystal Orientation)은 이후의 연마, 이온 주입, 박막 증착 공정에 큰 영향을 미치며, 제어가 부족할 경우:

• 수율 저하
• 장비 손상
• 제품 품질 저하

말번 파날리티칼의 XRD 결정 배향 시스템(XRD Crystal Orientation Systems )과 같은 고속, 고정밀 배향 시스템은 웨이퍼가 첨단 장치 아키텍처에 필요한 구조적 정확도를 갖춘 상태로 여정을 시작할 수 있도록 보장합니다.

3. 박막(Thin Film) 공정 – 원자 단위 제어가 필요한 이유

현대 반도체 구조는 다층 박막 구조로 복잡도가 크게 증가했습니다.
깊이, 밀도, 조성의 미세 변동은 전기적 성능 및 신뢰성에 치명적 영향을 줍니다. 이를 모니터링하고 공정 안정성을 확보하기 위한 핵심 분석 기술은 다음과 같습니다:

• XRF / XRD 고해상 분석: 박막 균일성, 내부 응력(Stress), 계면 품질 평가
• Zetasizer: CMP 슬러리(CMP Slurry) 안정성 분석
• AutoPore: CMP 패드 공극 구조 분석

이 분석은 공정 수율을 높이고, 개발 사이클 단축에 결정적인 역할을 합니다.

4. 첨단 패키징(Advanced Packaging) – 최종 신뢰성을 결정하는 단계

2.5D, 3D 스태킹, 칩렛(Chiplet), 고밀도 인터커넥트 기술이 주류가 되면서, 패키징 재료 특성이 제품 신뢰성에 직접적인 영향을 미치고 있습니다. 주요 고려사항은 다음과 같습니다:

• 분말 거동
• 금속화 균일성
• 필러(충진제) 일관성

이러한 특성은 다음 분석 장비로 제어됩니다: XRF, Mastersizer, FT4 분말 레오미터, AccuPyc 

원료부터 패키지까지: 신뢰 기반 제조

반도체 생산의 각 단계에서 발생할 수 있는 재료 문제는 가치 사슬 전반에 걸쳐 영향을 미칠 수 있습니다.
정확한 분석 기술을 활용하면 비정상 상태를 조기에 파악하고, 공정 변동성을 최소화할 수 있습니다. 말번 파날리티칼과 마이크로메리틱스는 이러한 복잡성을 해소할 수 있는 통합 분석 솔루션 포트폴리오를 제공합니다.

이러한 기술 기반으로 제조사는 차세대 디바이스를 높은 신뢰성으로 생산할 수 있습니다.