안녕하세요. 주식 공부하는 평범한 투자자, insight221입니다.

지난 시간까지 우리는 반도체의 탄생 역사와 국가 간의 패권 전쟁을 살펴봤습니다.

이제 드디어 반도체 공장(FAB)의 문을 열고 그 내부로 들어갈 차례입니다.

반도체는 뚝딱하고 만들어지는 게 아닙니다.

가장 밑바닥의 모래부터 시작해, 완제품이 되어 포장되기까지 총 8개의 거대한 관문(8대 공정)을 통과해야 합니다.

앞으로 우리는 이 복잡하고 정교한 과정을 순서대로, 그러나 깊이 있게 파헤칠 것입니다. (각 공정의 분량이 방대하여, 편수는 정해두지 않고 끝까지 가보겠습니다.)

[반도체 8대 공정 완전 정복 로드맵]

1단계: 웨이퍼 제조 공정 (기적의 도화지 만들기) + 세정공정 ← Today!

2단계: 산화 공정 (표면 보호막 입히기)

3단계: 노광 공정 (빛의 예술, 그리고 ASML)

4단계: 식각 공정 (필요 없는 부분 깎아내기)

5단계: 증착 & 이온주입 (얇은 막 입히기 & 성질 바꾸기)

6단계: 금속 배선 공정 (전기가 통하는 길 만들기)

7단계: EDS 공정 (불량품 선별하기)

8단계: 패키징 공정 (칩 포장 및 연결하기)

오늘 그 첫 번째 시간.

흔해 빠진 모래알이 어떻게 인류 문명의 심장이 되는지, 그 연금술의 시작점인 웨이퍼(Wafer)의 모든 것을 파헤쳐 봅니다.

1. 재료 전쟁: 왜 처음부터 규소가 아니었나?

많은 분이 반도체는 처음부터 실리콘(규소)으로 만든 줄 아십니다. 하지만 역사는 달랐습니다.

① 최초의 주인공: 게르마늄 (Germanium)

1947년 벨 연구소에서 트랜지스터를 처음 발명했을 때, 그 재료는 실리콘이 아니라 게르마늄이었습니다.

당시엔 게르마늄이 전기를 통제하기 훨씬 쉬웠기 때문입니다.

② 치명적인 약점: 열(Heat)

하지만 게르마늄에게는 치명적인 약점이 있었습니다.

바로 75도(℃)만 넘어가면 반도체 성질을 잃고 전기가 맘대로 흘러버리는 것이었습니다.

컴퓨터를 조금만 돌려도 뜨거워지는데, 그때마다 먹통이 되니 상용화가 불가능했죠.

③ 실리콘의 역습과 텍사스 인스트루먼트(TI)

과학자들은 지구상에 널려있고, 150도 이상의 고온도 견디는 실리콘(규소)에 눈을 돌렸습니다.

하지만 실리콘은 녹는점이 너무 높아(1414℃) 가공이 어려웠습니다.

이 난제를 해결하고, 1954년 세계 최초로 상업용 실리콘 트랜지스터를 만들어낸 곳이 바로 텍사스 인스트루먼트(TI)입니다.

이후 실리콘 표면에 완벽한 산화막(SiO₂)을 만들 수 있다는 장점까지 밝혀지며, 반도체 재료는 실리콘으로 천하통일 되었습니다.

2. 웨이퍼의 역사: 위대한 실수는 펜 끝에서 시작됐다

① 왜 하필 모래(Silicon)인가?

반도체의 재료는 규소(Si)입니다. 즉, 모래입니다.

왜 금이나 다이아몬드가 아닐까요?

풍부함: 규소는 지구 지각의 27.7%를 차지합니다. 산소 다음으로 많죠. 재료비가 쌉니다.

내열성: 1,000도가 넘는 고온의 공정을 견딜 수 있습니다.

산화막(SiO₂): 이게 핵심입니다. 산소와 만나면 아주 훌륭한 절연체(유리)로 변해서 전기를 통제하기 쉽습니다.

② 역사의 한 페이지: 얀 초크랄스키의 실수 (1916년)

지금 우리가 쓰는 웨이퍼 제조법의 95%는 초크랄스키 공법(Czochralski method)을 따릅니다.

이 거창한 이름의 기술은 1916년, 한 폴란드 과학자의 황당한 실수에서 탄생했습니다.

폴란드의 화학자 얀 초크랄스키(Jan Czochralski)는 실험 중에 무심코 펜을 잉크통에 찍는다는 게 그만, 옆에 있던 녹은 주석(Tin) 그릇에 찍고 말았습니다.

놀라서 펜을 쑥 뽑아 올렸는데, 펜촉 끝에 주석이 실처럼 굳어서 딸려 올라오는 것을 발견했습니다.

"어? 녹은 금속에 쇠막대기를 넣고 천천히 돌리면서 뽑으면 하나의 결정(Single Crystal)이 되는구나!"

이 우연한 발견은 당시엔 금속 연구에만 쓰였습니다.

이것을 반도체로 가져온 것은 1950년대 벨 연구소(Bell Labs)의 고든 틸(Gordon Teal)이었습니다.

그는 이 기술을 이용해 게르마늄과 실리콘을 완벽한 단결정으로 키워내는 데 성공했고, 이것이 오늘날 반도체 웨이퍼의 시초가 되었습니다.

3. 웨이퍼 제조 공정: 모래가 보석이 되기까지

웨이퍼를 만드는 과정은 요리와 비슷합니다. 불순물을 걸러내고, 반죽하고, 굽고, 썰어내는 과정이죠.

① 정제 (Purification): 99.999999999%의 도전

모래에서 추출한 규소는 불순물이 많습니다.

이걸 뜨거운 전기로에 녹여 1차 정제를 하면 순도 99%의 금속급 실리콘(MGS)이 됩니다.

하지만 반도체는 99%로는 어림없습니다.

화학적 처리를 통해 순도를 일레븐 나인(11N), 즉 99.999999999%까지 끌어올린 폴리실리콘(Polysilicon)을 만듭니다.

[잠깐!! 누가 만드나요?]

많은 분이 웨이퍼 회사(SK실트론 등)가 모래부터 캐오는 줄 알지만, 아닙니다.

이 고순도 폴리실리콘 원재료를 전문적으로 공급하는 글로벌 화학 기업들이 따로 있습니다.

글로벌 관련주: 헴록(Hemlock / 미국), 바커(Wacker / 독일). 이들이 시장을 꽉 잡고 있습니다.

한국 관련주: OCI홀딩스 (주로 태양광용 폴리실리콘을 하지만, 반도체용 폴리실리콘 생산 능력도 보유하고 있습니다.)

② 잉곳 성장 (Ingot Growing): 초크랄스키의 마법

이제 공급받은 폴리실리콘을 다시 뜨거운 냄비(석영 도가니)에 넣고 녹입니다.

여기에 젓가락 같은 종자 결정(Seed)을 담그고, 회전시키면서 아주 천천히 뽑아 올립니다.

그러면 액체였던 실리콘이 종자 결정을 따라 굳으면서 거대한 원기둥 모양으로 자라납니다.

이것을 잉곳(Ingot)이라고 합니다.

이때 실리콘 원자들이 흐트러짐 없이 질서 정연하게 배열된 단결정(Single Crystal) 상태여야만 합니다.

그래야 전자가 방해받지 않고 달릴 수 있으니까요.

여기서부터는 웨이퍼 제조사(SK실트론, 신에츠 등)가 직접 합니다.

잉곳을 얼마나 깨끗하고 크게 뽑느냐가 그 회사의 기술력입니다.

③ 얇게 썰기 (Slicing)

잉곳의 머리와 꼬리는 잘라내고(Trimming), 몸통만 남깁니다.

이 단단한 실리콘 기둥을 다이아몬드 톱(Wire Saw)으로 아주 얇게 썹니다. 마치 김밥을 썰듯이요.

이렇게 나온 얇은 원판이 바로 웨이퍼(Wafer)의 원형입니다.

④ 다듬기 (Edge Rounding & Lapping)

썰어낸 직후의 웨이퍼는 표면이 거칠고 모서리가 날카롭습니다.

엣지 라운딩: 모서리가 직각이면 잘 깨집니다. 그래서 둥글게 갈아줍니다.

래핑(Lapping): 울퉁불퉁한 표면을 평평하게 갈아줍니다.

⑤ 연마 (Polishing & Cleaning): 양치질의 원리

여기에 나노 단위의 회로를 그려야 하기에, 표면을 거울처럼 매끄럽게 만들어야 합니다.

이때 CMP(Chemical Mechanical Polishing)라는 화학적 기계 연마 공정을 씁니다. 말이 어렵죠?

아주 쉽게 양치질을 생각하면 됩니다.

a) 슬러리 (Slurry) = 치약

알갱이가 들어있는 화학 액체입니다.

치약이 치석을 녹이고 닦아내듯, 슬러리는 웨이퍼 표면을 화학적으로 녹이고 미세 알갱이로 갈아냅니다.

b) 패드 (Pad) = 칫솔

웨이퍼를 문지르는 푹신한 천입니다.

칫솔이 치약을 묻혀 이를 닦듯이, 패드는 슬러리를 머금고 웨이퍼를 물리적으로 문질러 닦습니다.

즉, 슬러리(치약)와 패드(칫솔)를 이용해 웨이퍼를 반짝반짝하게 닦아내는 것이 바로 CMP 공정입니다.

[CMP 공정의 관련주]

CMP는 웨이퍼를 만들 때도 쓰이지만, 나중에 반도체 층을 쌓을 때마다 계속 평평하게 갈아줘야 해서 소모품(치약과 칫솔) 수요가 엄청납니다.

장비 관련주: 케이씨텍 (한국). 국내 유일의 CMP 장비 제조사입니다.

소재(슬러리) 관련주: 솔브레인, 케이씨텍 (일본 기업들이 독점하던 시장을 국산화했습니다.)

소재(패드) 관련주: 듀폰(DuPont)이 꽉 잡고 있지만, 국내에선 에프엔에스테크 등이 국산화에 도전 중입니다.

4. 웨이퍼 사이즈 전쟁: 왜 크기가 제각각인가?

뉴스를 보면 "8인치 웨이퍼", "12인치 웨이퍼" 같은 말이 나옵니다.

왜 하나로 통일하지 않을까요? 여기엔 경제학이 숨어있습니다.

① 크기의 역사

웨이퍼 역사는 "더 크게!"의 역사였습니다.

1970년대: 2인치, 4인치 (손바닥만 함)

1990년대: 6인치(150mm), 8인치(200mm)

2000년대~현재: 12인치(300mm)

왜 키울까요? 피자 라지 한 판이 스몰 두 판보다 싼 원리입니다.

웨이퍼 지름이 2배 커지면 면적은 4배가 되고, 한 번에 찍어내는 칩 개수가 폭발적으로 늘어나 원가(Cost)가 싸지기 때문입니다.

② 8인치 vs 12인치: 용도가 다르다

지금은 300mm(12인치)가 표준이지만, 200mm(8인치)도 여전히 현역입니다.

a) 12인치 (300mm): 대량 생산의 제왕

용도: D램, 낸드플래시, 고성능 CPU/GPU

특징: 엄청난 양을 한 번에 찍어내야 하는 최첨단 반도체에 쓰입니다. 삼성전자와 하이닉스 주력 공장은 다 12인치입니다.

b) 8인치 (200mm): 다품종 소량 생산의 강자

용도: 이미지 센서, 전력 반도체(PMIC), 차량용 반도체, IoT 센서

특징: 이런 반도체들은 종류는 많은데 주문량은 적습니다. 12인치로 찍으면 너무 많이 남아서 오히려 손해입니다. 그래서 옛날 8인치 장비로 알뜰하게 찍어냅니다.

관련주: DB하이텍 (8인치 파운드리의 강자)

③ 차세대 웨이퍼 SiC & GaN

최근 전기차(EV) 때문에 뜨고 있는 새로운 웨이퍼가 있습니다.

실리콘(Si)이 아닌 탄화규소(SiC)나 질화갈륨(GaN)으로 만든 웨이퍼입니다.

특징: 실리콘보다 열에 훨씬 강하고 전력 효율이 좋습니다. 전기차 배터리 효율을 높이는 데 필수입니다.

단점: 만들기가 너무 어렵습니다. 잉곳을 키우는 데 실리콘보다 시간이 10배는 더 걸립니다. 그래서 아직 6인치, 8인치가 주력입니다.

관련주: 울프스피드(미국), 그리고 SK실트론이 이 분야 세계 3위권을 노리며 공격적으로 투자 중입니다.

5. 2026년 웨이퍼 시장의 지배자들

웨이퍼는 반도체의 가장 기본 재료이기에, 이 시장을 장악한 기업은 망할 수가 없습니다.

하지만 아무나 할 수 없습니다. 99.999999999%의 순도를 맞추는 기술 장벽이 엄청나기 때문입니다.

현재(2026년 기준) 전 세계 웨이퍼 시장은 Top 5 기업이 90% 이상을 독점하고 있습니다. (대략적인 점유율이므로, 다소 차이가 발생할 수 있습니다.)

① 신에츠 화학 (Shin-Etsu / 일본): [점유율 약 30%]

부동의 전 세계 1위. 웨이퍼뿐만 아니라 반도체 소재 전반에서 압도적인 기술력을 가진 괴물 같은 기업입니다.

② SUMCO (섬코 / 일본): [점유율 약 25%]

미쓰비시와 스미토모가 합작해 만든 회사로, 신에츠와 함께 시장의 절반을 먹고 있는 일본 기업입니다.

③ SK실트론 (SK Siltron / 한국): [점유율 약 18%]

자랑스러운 대한민국 기업. 과거 LG실트론이었으나 SK가 인수한 뒤 급성장하여 글로벌 3위로 도약했습니다.

특히 SiC 웨이퍼 분야에서 글로벌 Top Tier로 성장 중입니다. (현재 비상장이지만, SK(주) 주가에 영향을 줍니다.)

④ 실트로닉 (Siltronic / 독일): [점유율 약 14%]

유럽의 자존심. 삼성전자와 합작사를 설립하기도 했습니다.

⑤ 글로벌웨이퍼스 (GlobalWafers / 대만): [점유율 약 12%]

공격적인 인수합병으로 덩치를 키운 대만 기업입니다.

반도체 슈퍼사이클이 오면 가장 먼저 웃는 곳이 바로 이 웨이퍼 기업들입니다.

공장이 돌아가려면 웨이퍼부터 주문해야 하니까요.

특히 AI 반도체 수요 폭발로 12인치 고성능 웨이퍼와 전기차용 SiC 웨이퍼의 몸값은 계속 오르고 있습니다.

6. 세정 공정

반도체에서 세정(Cleaning)은 우리가 생각하는 설거지나 세수 정도가 아닙니다.

반도체 공정 전체의 약 30%를 차지하는 가장 빈번하고 중요한 공정입니다.

이해가 쉽도록 3가지 핵심 포인트로 나누어 설명해 드리겠습니다.

① 언제 씻나요?

웨이퍼를 만든 직후, 그리고 산화 공정에 들어가기 직전에 반드시 세정을 합니다.

이유: 산화 공정은 1,000도 이상의 고온에서 진행됩니다. 만약 웨이퍼에 눈에 보이지 않는 먼지나 금속 가루가 묻어 있다면? 그 상태로 고온 가마에 들어가면 불순물이 웨이퍼 속으로 녹아들어 가거나, 산화막에 구멍(Pin-hole)을 내버립니다.

반복: 중요한 건 산화 공정 전뿐만이 아닙니다. [웨이퍼 제조 → 세정 → 산화 → 세정 → 노광 → 세정 → 식각 → 세정...] 이런 식으로 공정이 하나 끝날 때마다 무조건 씻고 다음 단계로 넘어갑니다. 그래서 "반도체는 씻는 게 반이다"라는 말이 나온 것입니다.

② 어떻게 씻나요?

"그냥 물로 씻나요?" → 아닙니다. 물로만 씻으면 기름때나 금속이 안 지워집니다.

그래서 독한 화학 약품으로 목욕을 시킵니다.

1970년대 RCA사에서 개발한 표준 세정법(RCA Cleaning)을 지금도 씁니다.

1단계 (SC-1 용액): 암모니아 + 과산화수소 + 물

역할: 유기물(기름기)과 미세 먼지를 제거합니다.

2단계 (SC-2 용액): 염산 + 과산화수소 + 물

역할: 금속 불순물(철, 구리 등)을 녹여서 없앱니다.

3단계 (HF 세정): 불산 + 물

역할: 자연적으로 생긴 얇은 산화막을 싹 벗겨내서 생살(Pure Silicon)이 드러나게 만듭니다.

즉, 단순한 물세척이 아니라 화학 약품으로 표면의 오염물질을 녹여내고, 초순수(Ultra Pure Water)로 헹구는 화학 공정입니다.

③ 왜 중요한가요?

반도체 회로 선폭이 3나노로 줄어들었습니다.

이 크기에서는 눈에 보이지 않는 미세 먼지 하나가 바위덩어리와 같습니다.

먼지 하나 = 불량 1개: 회로 위에 먼지가 앉으면 전기가 끊기거나 합선이 됩니다.

수율(Yield) 직결: 세정을 제대로 안 하고 다음 공정으로 넘어가면, 그 웨이퍼에 만든 칩은 전량 폐기해야 할 수도 있습니다.

관련주: 그래서 이 세정액의 핵심 재료인 과산화수소를 초고순도로 만드는 솔브레인과 한솔케미칼이 반도체 공정이 미세화될수록 돈을 버는 것입니다. (더 자주, 더 깨끗이 씻어야 하니까요.)

④ 전체 공정의 30%나 차지하고, 한번 실수하면 수율이 박살 나는데 왜 8대 공정에는 못 끼는가?

결론부터 말씀드리면, 세정은 공정(Process)이라기보다 기본 소양(Base)에 가깝게 취급되기 때문입니다.

이 미묘한 차이를 설명하기 가장 좋은 비유는 요리와 수술입니다.

a) 변화 vs 유지 (Transformation vs Maintenance)

8대 공정(노광, 식각, 증착 등)의 공통점은 무언가를 변형시킨다는 것입니다.

깎거나(식각), 쌓거나(증착), 성질을 바꾸거나(이온주입). 즉, 요리를 하는 과정입니다.

반면, 세정은 웨이퍼의 성질을 바꾸지 않습니다.

더러운 걸 씻어내어 원래 상태로 되돌리는 것입니다.

요리로 치면 재료 씻기나 설거지입니다.

요리 레시피(8대 공정)를 적을 때 "당근을 썬다(식각), 볶는다(산화)"라고 적지, 중간중간 "칼을 씻는다, 도마를 닦는다"를 메인 단계로 적지는 않는 것과 같은 이치입니다.

b) 종속된 과정 (Embedded Process)

세정은 독자적인 공정이라기보다, 각 메인 공정의 시작과 끝에 붙어있는 부속 과정으로 봅니다.

산화 공정 세트: [세정] → [산화] → [세정]

식각 공정 세트: [세정] → [식각] → [세정]

마치 수술실의 의사와 같습니다.

의사가 수술(8대 공정)을 하기 전에 반드시 손을 씻고 소독(세정)을 합니다.

손 씻기가 사람을 살리는 데 엄청나게 중요하지만, 우리가 수술 과정을 말할 때 "1단계: 손 씻기"를 수술의 핵심 기술이라고 부르지는 않는 것과 같습니다.

c) 숨은 지배자

그래서 세정을 반도체의 공기(Air)라고 표현합니다.

눈에 띄는 8대 공정 리스트에는 없지만, 공장이 멈추지 않고 돌아가게 만드는 건 결국 세정 기술입니다.

특히 미세 공정(3나노 등)으로 갈수록, 8대 공정 기술력은 다들 비슷비슷해지는데, 결국 "누가 더 티끌 없이 깨끗하게 씻느냐"에서 수율(승패)이 갈립니다.

마치며,

오늘은 반도체 8대 공정의 첫 단추, 웨이퍼와 세정 공정을 아주 깊게 파보았습니다.

1916년 한 화학자의 실수(초크랄스키)가 100년 뒤 인류의 AI 시대를 여는 초석이 되었습니다.

가장 흔한 모래가 인간의 기술을 만나 가장 순수한 도화지(웨이퍼)가 되었습니다.

자, 이제 완벽한 도화지가 준비되었습니다.

하지만 아직은 그냥 돌판일 뿐입니다. 여기에 생명을 불어넣으려면 갑옷을 입혀야 합니다.

다음 시간에는 웨이퍼 표면을 뜨거운 불로 구워 단단한 보호막을 만드는 과정.

[반도체 8대 공정 - 산화 공정]으로 찾아오겠습니다.

다음편을 기대해 주세요.

★ 출처 : insight221님의 블로그