글로벌 반도체 산업은 폭발적인 성장 과정에 있으며, 2030년까지 1조 달러 규모의 엄청나게 큰 시장이 될 것으로 예상됩니다(2023년에는 5,000억 달러 이상). 이러한 팽창은 주로 마이크로프로세서의 지속적인 소형화와 성능 증대에 의해 촉진됩니다. 모든 세대에 이렇게 더 작고 보다 강력한 칩은 완전히 새로운 기술을 가능하게 하고 기존 응용 작업의 비용도 절감합니다. 칩 기술의 개선으로 새로운 제품과 서비스가 생기고, 이는 더 발전된 반도체에 대한 수요를 더욱 촉진하는 “선순환”을 만듭니다.
오늘날 이러한 수요의 대부분을 주도하는 주요 산업이 몇 가지 있습니다. 하나는 자동차 산업으로, 자동차가 바퀴 달린 스마트폰이 되고 있으며, 파워트레인을 전기화하고, 차량 자동화에 많은 컴퓨팅을 추가하는 데 중점을 두고 있습니다. 성장을 촉진하는 또 다른 분야는 고성능 컴퓨팅입니다. 이는 주로 인공 지능(AI)과 클라우드 컴퓨팅에 대한 증가하는 요구를 충족하기 위한 것입니다. 이러한 시장과 함께 전력 반도체와 프로세서가 베이스테이션과 스마트폰, 가정 및 사무실 컴퓨팅과 같은 최종 사용자 솔루션을 좌우하는 5G 네트워크의 확산을 통해 무선 인프라가 제공됩니다. 마지막으로 반도체는 공장 자동화, 물류 등과 같은 산업 시장에서 큰 역할을 합니다. 이 시장은 특히 자동차 및 고성능 컴퓨팅과 같은 다른 시장에 비해 상대적으로 성장이 느리지만 매우 안정적이고 지속 가능한 반도체 시장입니다.
이 모든 시장은 특정 공정 기술 노드를 사용하는 웨이퍼 팹에서 집적 회로(IC)를 제조해야 합니다. 일반적으로 대부분의 산업 및 자동차 전자 솔루션에는 성숙한 기술 노드 즉, 28nm 이상이 필요한 반면, 고성능 컴퓨팅 및 무선 솔루션에는 최첨단 노드가 필요합니다.
기술 노드에 관계없이, Coherent는 IC 제조 중 여러 공정 단계에 걸쳐 레이저, 광학 장치 및 재료를 제공하는 솔루션을 보유하고 있으며, 이는 라인의 프런트 엔드와 백엔드 모두에서 이루어집니다. 일부 주요 공정 단계에 대한 검토는 다음과 같습니다…
극자외선(EUV) 리소그래피 활성화
반도체 제조의 핵심 공정인 리소그래피는 마스크에서 실리콘 웨이퍼의 감광 층으로 회로 패턴을 투사하여 실제 장치(예: 트랜지스터) 구조를 만드는 과정을 포함합니다. 기존 반도체 리소그래피는 248nm 또는 193nm에서 작동하는 엑시머 레이저로 완성됩니다. 이러한 레이저는 업계를 “10nm 노드”(노드는 회로 소자의 가장 작은 형태의 크기와 관련된 용어)로 이끌었습니다. 하지만 훨씬 더 작은 형태를 생산하려면 기본 물리학에 따라 더 짧은 파장의 빛이 필요합니다.
극자외선 리소그래피(EUV)는 이 분야에서 중요한 발전을 나타냅니다. EUV 리소그래피는 약 13.5nm 파장의 빛을 사용합니다. 이를 이용해 칩 제조업체는 7nm, 5nm, 3nm, 2nm 노드에 도달할 수 있었습니다.
이러한 EUV 광을 생성하기 위해 고출력 적외선 CO₂레이저가 작고 용융된 주석의 흐름에 빛을 비춥니다. 레이저는 주석을 증발시키고 플라즈마(전자가 원자에서 제거되는 가스)를 형성합니다. 이 플라즈마가 EUV 광을 방출합니다.
이 파장에서 빛을 생성하고 전달하는 모든 과정은 복잡하고 어려우며, 엄청난 수준의 정밀도와 극한 조건에서의 신뢰할 수 있는 작동이 요구됩니다. 후자는 반도체 제조 공장의 가동 중단으로 인해 시간당 수십만 달러 또는 심지어 수백만 달러의 비용이 발생할 수 있기 때문에 중요합니다.
Coherent는 다이아몬드 창, CdTe 레이저 변조기, ZnSe 레이저 광학을 포함하여 EUV 리소그래피 도구에 많은 광학 장치를 공급합니다.
EUV 리소그래피 도구의 CO₂레이저와 빔 전달 시스템은 렌즈 및 거울과 같은 많은 광학 구성 요소를 포함하고 있습니다. 물론 Coherent(이전의 II-VI)는 1970년대부터 적외선 광학 분야의 시장 선도 업체였습니다. 회사가 설립된 기반 기술이며, 당사보다 더 잘 이해하는 회사는 없습니다. 그렇기 때문에 당사는 EUV CO₂레이저 시스템을 위한 CO₂레이저 광학의 가장 큰 공급업체입니다.
EUV 시스템의 또 다른 중요한 광학 기술은 다이아몬드 창입니다. 이는 레이저 시스템 내에서 다양한 모듈을 환경적으로 밀봉하는 동시에 매우 고출력 CO₂레이저 광이 감쇠되지 않고 통과하도록 하기 위해 필요합니다.
ZnSe는 이 파장과 EUV 시스템에서 창에 일반적으로 사용되지만, 여러 가지 이유 때문에 다이아몬드가 가장 까다로운 위치에서 선호됩니다. 주된 이유는 매우 높은 전력 수준에서 낮은 열 렌즈 효과 때문입니다. 열 렌즈는 빔 왜곡, 수차, 초점 위치 변화를 유발하며, 이 모두는 시스템 성능을 저하시킵니다.
또한 다이아몬드는 열팽창 계수(CTE)가 낮고 경도가 매우 높다고 알려진 소재 중에서 가장 높은 열전도율을 가지고 있습니다. 즉, 다이아몬드는 왜곡이나 열화를 최소화하여 레이저 빔의 높은 출력을 처리할 수 있습니다. 그리고 레이저 광을 흡수하여 유발되는 열을 견뎌내고 효율적으로 소산할 수 있습니다.
Coherent는 수직적 통합 제조업체이기 때문에 이러한 큰 면적의 다결정 다이아몬드 창의 선도적 공급업체입니다. 당사는 자체 독점 설계 및 공정 기술을 바탕으로 하는 리액터에서 화학 기상 증착(CVD)을 사용하여 다이아몬드를 성장시킵니다. 이 기술은 EUV 리소그래피 시스템 창에 필요한 특성을 정확하게 얻을 수 있는 방식으로 크리스탈 성장을 제어할 수 있습니다.
당사의 전문성에는 EUV 리소그래피 시스템을 위한 구조적 기계 부품 제조도 포함됩니다. 이러한 부품은 반응 결합 실리콘 카바이드(RB-SiC)와 같은 특수 세라믹 소재로 만듭니다.
RB-SiC는 뛰어난 기계적 및 열적 안정성을 보이므로, 검사, 계측 및 리소그래피를 포함한 광범위한 반도체 자본 장비 응용 분야에 이상적입니다. EUV 광학 시스템을 지지하는 구조의 안정성은 매우 중요하며, RB-SiC 세라믹에서만 가능합니다.
Coherent는 기존 세라믹 제조 공정과 새로 개발된 적층 제조를 모두 사용하여 RB-SiC를 생산합니다. 이러한 방법을 사용하면 정밀한 마무리가 거의 필요 없는 정밀 정형으로 크고 복잡한 모양도 생산할 수 있습니다. 대형 광학 부품의 구조는 EUV 기계 내의 광학 시스템을 지원하고 혹독한 고출력 플라즈마 소스 환경에서도 시스템이 정밀한 광학 정렬을 유지하도록 보장합니다.
작은 회로가 검사에서 큰 과제가 되는 이유
웨이퍼 검사 - 생산 중에 결함을 식별하는 공정은 반도체 산업의 초창기부터 중요했으며 새로운 세대의 칩이 나올 때마다 점점 더 중요해지고 있습니다. 노드 크기가 감소할 때마다 칩 아키텍처가 더 복잡해지고 새로운 소재와 더 작고 복잡한 기능이 통합되기 때문입니다. 이러한 발전은 성능 경계를 넓히는 동시에 결함이 발생할 수 있는 새로운 기회를 가져옵니다. 그리고 이렇게 소규모에서 작업할 때 웨이퍼의 가장 사소한 결함조차도 칩 불량으로 이어질 수 있습니다.
따라서 제조업체는 각 공정 단계 후에 엄격한 검사를 수행하여 결함을 조기에 찾아내야 합니다. 이러한 검사를 수행하면 수율(웨이퍼당 사용 가능한 칩), 처리량(생산 속도) 및 궁극적으로 수익성을 최적화하는 데 도움이 됩니다.
더 작은 회로 형태로 인해 검사 필요성이 크게 증가했으며, 이는 종종 레이저로 가장 잘 수행됩니다.
레이저는 웨이퍼 검사에 이상적인 도구이며 반도체 산업의 아주 초기부터 이 목적으로 사용되었습니다. 비접촉 방식으로 감도와 속도의 탁월한 조합을 제공하기 때문입니다. 또한 매우 다목적으로 쓰이며 다양한 검사 작업을 수행하도록 최적화할 수 있습니다.
20년 전, 트랜지스터가 수월한 110nm 이상이었을 때, 가시 녹색 레이저(532nm)와 자외선(UV) 레이저는 결함 감지에 사용하기에 적합했습니다. 그러나 회로 형태가 줄어듦에 따라 점점 더 미세해지는 결함을 해결하기 위해 더 짧은 레이저 파장이 필요하게 되었습니다. 이러한 변화로 인해 업계는 DUV(deep-ultraviolet) 레이저로 전환되었고, Coherent는 2002년에 획기적인 Azure 레이저(266nm)를 출시하면서 이 도전 과제에 정면으로 맞섰습니다.
산업이 훨씬 작은 노드로 발전해 나감에 따라 검사 레이저에 대한 요구 사항은 더욱 엄격해졌습니다. 다행히, 이는 당사의 핵심 강점과 완벽하게 일치합니다. 당사는 선도적인 웨이퍼 제조 장비 제조업체와 긴밀히 협력하여, 당사의 제품이 반도체 제조 공정의 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 이를 예상할 수도 있습니다. 따라서 Coherent는 제조업체가 현재와 미래의 검사 과제를 극복할 수 있도록 지원합니다.
터널의 백엔드에 명확한 경로 제시
반도체 “백엔드” 공정은 웨이퍼에 회로가 완전히 형성된 후에 발생하는 공정입니다. 여기에는 웨이퍼 다이싱, 장치 디본딩 및 고급 패키징이 포함됩니다. 이러한 단계는 웨이퍼 제조의 “프론트엔드” 단계만큼 극도의 정밀도를 요구하지는 않지만 여전히 까다롭습니다. 그리고 회로가 작아지고, 새로운 소재가 도입되고, 패키징 방법이 더 복잡해짐에 따라 점점 더 정교해지고 있습니다.
집적 회로 생산의 주요 단계.
Coherent가 이러한 요구에 대응한 한 가지 방법은 웨이퍼 다이싱, 드릴링 및 디패널링 작업에 이상적인 초단 펄스(USP) 레이저입니다. Coherent는 또한 인쇄 회로 기판(PCB) 및 기판 드릴링, 본딩, 디본딩 및 마킹을 포함한 고급 패키징의 많은 레이저 기반 응용 작업을 처리하는 레이저 및 광학 제품군을 제공합니다. 이러한 레이저는 공정 속도나 효율성을 저하시키지 않고 필요한 정밀도를 제공하며, 또 가장 중요한 것은 열에 민감한 회로를 손상시키지 않는다는 것입니다. 또한, 금속, 반도체 및 유기물을 포함한 매우 광범위한 소재에 적용할 수 있습니다.
Coherent는 또한 프런트엔드와 백엔드 도구의 제작에 사용되는 혁신적인 세라믹 소재를 공급합니다. 금속 매트릭스 복합재와 같은 세라믹은 강철의 강도와 알루미늄의 가벼움을 함께 가지고 있어 고성능, 고속 작동 로봇 시스템에 필수적인 강성과 열 전도성을 제공합니다. 산업이 더 빠른 생산 주기를 추구하면서 장비가 정확도를 훼손하지 않고 더 빠른 속도로 작동할 수 있도록 하는 것이 특히 중요합니다. 이는 스마트폰 및 컴퓨터와 같은 전자 기기에 대한 소비자 수요 증가를 충족시키기 위해 필요합니다.
Coherent: 혁신과 성공을 위한 파트너
당사는 지금까지 반도체 도구 제조업체가 요구하는 혁신적인 기술과 고성능이 결합된 Coherent 제품에 집중해왔습니다. 하지만 다른 회사들도 고성능 제품을 제작하고 있습니다. 많은 경우 이러한 이유 말고도 고객이 Coherent를 찿는 여러 이유가 있습니다.
그러한 요소 중 하나는 소유 비용입니다. 반도체 비즈니스에서 제품과 관련된 운영 비용은 원래 구매 가격보다 사용자에게 더 중요한 경우가 많습니다. 여기에는 몇 가지 이유가 있습니다.
첫째, 이전에도 언급한 가동 중지 시간입니다. 반도체 생산 라인에서 계획되지 않은 잠깐의 가동 중지 시간조차도 대부분 장비의 원래 구매 가격보다 훨씬 더 많은 비용이 들 수 있습니다. 따라서 신뢰성과 가동 시간은 사용자의 비용을 절감하고 자체 생산 일정을 지킬 수 있도록 보장하기 때문에 필수적입니다.
둘째로, 운영 일관성과 안정성입니다. 반도체 제조에는 여러 단계가 있습니다. 이러한 단계 중 하나에서 장비 작동에 변동이 생기면 생산되는 회로의 특성을 즉시 인지하지 못할 수 있는 방식으로 변경할 수 있습니다. 즉, 제조업체는 문제가 발견되기 전에 얼마 동안 불량 부품을 생산할 수 있습니다. 이는 폐기 부품이나 재작업으로 이어지며, 둘 다 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸릴 수 있습니다.
결과적으로, 도구 제조업체는 자체 기술에 대한 심층적인 전문성을 입증하고 오랜 성공 사례를 보여주는 공급업체를 우선시합니다. 그들은 사양을 충족하고, 정시에 납품하고, 까다로운 반도체 제조 환경에서 매일매일 일관되게 성능을 발휘하는 제품을 생산하는 회사와 협력하고 싶어합니다. Coherent는 수십 년 동안 기대치를 뛰어넘은 입증된 실적을 바탕으로 이러한 측면에서 뛰어난 역량을 보유하고 있습니다.
기술 변화가 가속화됨에 따라 또 다른 요인도 나타납니다. 반도체 도구 제조업체는 상당한 내부 리소스와 운영 규모를 보유하고 있으며 기술에도 상당한 투자를 진행할 수 있는 공급업체를 원합니다. 이러한 투자는 점점 더 소형화되는 회로를 제조하는 데 필요한 지속적인 혁신을 따라가는 데 필요합니다.
Coherent 고객은 당사가 고객의 요구에 대응하는 서비스에 대한 장기적인 약속을 지키고 있다는 확신을 가질 수 있습니다.
또한 고객들은 공급업체가 수십 년 동안 사업을 계속할 가능성이 높고, 적시에 서비스를 제공하고 예비 부품을 공급할 것이라는 확신을 얻고 싶어합니다. 그리고 서비스에 대해서는 필요한 경우 언제 어디서나 즉시 제공되기를 원합니다. Coherent의 규모와 안정성, 그리고 광범위한 글로벌 서비스 인프라는 고객에게 현재와 미래에도 이 모든 측면에서 서비스를 제공할 것이라는 확신을 드립니다.
반도체 산업을 위한 Coherent 제품 및 서비스에 대해 자세히 알아보십시오. 특정 응용 분야를 다루는 블로그가 더 많이 나올 예정입니다.
