반도체 Process Control (공정 제어)를 알아보자 1편-산업의 이해

■ Process Control (공정 제어)

Process Control (공정 제어)이란 크게 Inspection (검사), Metrology (계측), Review로 이루어져 있다. 
반도체 제작 과정 중간중간에 개입해 검사, 계측, 리뷰 등의 업무를 수행하여
결함을 검출, 검사하여 사전에 불량을 예방하여 품질을 높이는 공정이다.
반도체 제조 환경 내 수율 적용의 전체 범위를 다루고 있는 공정이기에 점차 중요성이 부각되고 있다.

 

반도체에 대한 기술 전환이 어려워질수록​
Defect (결함)에 대한 이슈는 커질 것이고, 이에 대한 inpection과 Metrology 니즈는 지속 증가하는 방향성은 분명하다.

미세화와 고단화 기술 변화 속, 지속적으로 파티클이나 defect에 대한 검출 및 Review 공정 등의 중요도가 증가하고 있다.

출처: 삼성증권

① 기존에는 웨이퍼 10개마다 검사했다면, 앞으로는 공정이 어려워지며 3개 또는 5개마다 검사해야 하는 방향으로 나아갈 가능성이 높다 (스텝 증가)

② EUV 도입에 따른 스텝 감소 효과보다 미세화로 인해 더 작고 더 해상도 높은 검사에 대한 요구 증가. 이에 맞추어 전자현미경과 원자현미경 도입 증가하고 있는 추세

③ 3D 구조 확대에 따라 Overlay (정렬도) + CD (Critical Dimension 선폭 측정) 등에 대한 스텝 수 증가

④ 전공정뿐 아니라 후공정까지 Process control 시장 확대 중

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■  Process Control (공정 제어) 시장 대분류

​Inspection (검사), Metrology (계측), Review로 이루어져 있다. 

Insepection(검사)은 defect가 있는 찾아내고 어디 있는지 검출하는 과정

Metrology (계측)는 실제 원하는 대로 되었는지 측정해나가는 과정

Review는 defect(결함)에 대해 자세히 들여다보는 과정

시장규모는 Inspection, Metrology, Review 순으로 추정
현재 3시장 모두에서 KLA가 압도적 점유율 확보하고 있으며, 

기술 방식에 따라 일부 시장에서 선점하고 있는 플레이어들 존재한다.

출처: 삼성증권

KLA는 Process Control 시장에서 압도적 점유율 차지
2019년 기준 54% 점유율 확보, 특히 광학 관련 시장에서 강자
새로운 Gen5 장비 포트폴리오 활용해 
10 나노 이하대 공정까지 커버하기 위해 노력 중이며 전자현미경까지 포트폴리오 갖추고 있다.

→Tech Migration 진행에 따라 KLA는 구조적 성장

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■ Inspection (검사) 시장 특징과 이슈

Insepection(검사)은 defect가 있는 찾아내고 어디 있는지 검출하는 과정이다.
시장은 대략 30억 달러 규모의 시장으로 추정되며 하기 등으로 구성되고 있다

 

① Patterned wafer inspection
② Unpatterned wafer inspection (Bare wafer 단에서 검사)
③ Macro defect inspection (마이크로 소자를 보는 경우)​
④ Mask inspection 

Unpatterned wafer inspection 시장은 Bare wafer 단에서 검사로 상대적으로 시장규모가 작고 국내 업체 전무하다.
Patterned wafer inspection은 inspection 시장 내 가장 큰 시장이며 국내에 넥스틴이라는 업체가 참여
시장규모는 약 18억 달러 수준으로 추정
Patterned wafer inspection 시장은 크게 Bright-filed와 Dark-filed 시장 두 가지로 나눌 수 있다.

출처: 삼성증권

다크필드 장비는 자외선을 광원으로 산란광 활용 
검출 감도가 30nm대 수준으로 브라이트필드 대비 낮음 그러나 빠른 검사 속도가 장점.
주로 일반 공정과 장비 모니터링에 적용
브라이트필드는 극자외선을 광원으로 사용하며 반사광 활용
높은 검출 감도 (~15nm)가 장점이나 검사 속도가 느리다.
따라서 중요 공정 모니터링에 활용

반도체 팹에서는 브라이트필드/다크필드 장비를 3:7로 운영하고 있는 것으로 파악
팹 하나당 다크필드 장비 약 20~40개, 브라이트필드 장비 약 8~16대 수준으로 운영되고 있는 것으로 추정

출처: 삼성증권

전자현미경에서 검출하지 못하는 미세화된 layer 단에서의 defect들이 많아지고 있다.
그래서 새롭게 원자현미경이 해당 시장 내 침투 확대 중 →파크시스템스 주목

마스크 인스펙션 시장은 EUV 도입과 함께 변화가 크게 나타나는 중
마스크 자체가 재사용되는 경우가 많아 웨이퍼보다 규모 면에서 시장이 작을 수밖에 없다.
레이저텍이라는 업체가 EUV 마스크 인스펙션 장비를 처음 도입했으며 KLA 또한 시장 진입을 위해 노력 중이다.
국내에서는 에프에스티 자회사 이솔이 인스펙션 장비가 아닌, 

EUV 마스크 리뷰 장비 선보이며 지속 개발 중인 것으로 파악

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■ Metrology (계측) 시장의 특징과 이슈

 

Metrology (계측)은 크게 CD 계측, Thin-film 계측, Overlay 계측 등이 존재
노광공정과 관련 계측 시장이 대부분이다.

노광 관련 계측 시장규모는 약 19억 달러 규모로 추정
Overlay와 CD(Critial Dimension, 회로 선폭) 계측 관련 시장의 규모가 큰 것으로 파악
웨이퍼 표면에 여러 종류의 막이 약 80개 전후의 층으로 적층 되는데
Overlay (회로 층간 정렬) + Critical Dimension (회로 간 간격)을 계측하는 것이다.

① CD-SEM 시장

CD 측정을 위해 주로 SEM (Scanning Electron Microscopy, 전자현미경) 장비가 사용
히타치와 AMAT가 장악하고 있는 시장
SEM (전자현미경)보다 더 작은 선폭까지 측정 가능한 
파크시스템스라는 원자현미경 업체가 CD 계측 시장에 진입 가능성이 크며, 향후 침투율 확대해 나갈 수 있다.

KLA 또한 E-BEAM을 활용한 장비를 통해 진입 가능성 존재한다.
선폭이 작아질수록 Critial Dimension(회로 간 간격) 측정에 대한 수요는 지속 발생할 것이다.

② Overlay Metrology 시장

반도체 공정용 Overlay 계측(측정) 장비는 반도체 공정상 미세한 회로 패턴이 수없이 적층되는 과정에서
하부 패턴과 상부 패턴 간의 정렬 상태를 정밀하게 측정하는 장비

수직 방향 정렬도 및 정렬도의 제어 역할을 수행 (회로 층간 정렬)

수율 개선에 직접적인 영향을 주며 불필요한 제조 비용 투입 예방을 가능케 한다. 
오버레이 계측장비는 MI(Metrology & Inspection) 룸이 아닌 노광룸에 들어가는 것으로 파악
계측 방식은 IBO 방식과 DBO 방식이 있다.
IBO 방식은 이미지 베이스, DBO 방식은 회절 베이스로 계측

3D 낸드 분야에서는 특히 IBO 방식이 주를 이루고 있으며 
Overlay 시장에서의 약 70~80% 수준은 IBO가 차지
IBO 시장에는 국내 오로스테크놀로지가 국산화를 바탕으로 점유율 확대해 나가는 중이다.

출처: 삼성증권

출처: 삼성증권

반도체 DRAM의 회로 선폭이 14나노 미터급으로 좁아지는 등  미세화 공정이 심화됨에 따라 

요구 기술력이 급격히 높아져 오로스테크놀로지와 미국 KLA가 관련 장비를 공급하고 있다. 
오로스테크놀로지가 상대적으로 후발 주자

미세화 공정이 심화됨에 따라 관련 장비 기술의 기술장벽이 급격히 높아지는 추세

오버레이 계측 장비 시장은 역성장하지 않고 2023년과 2024년에 꾸준히 성장할 것으로 전망
반도체 미세화 진행에 따라 회로의 선폭이 점점 좁아지는 와중에 계측 장비가 제대로 역할을 해주지 않으면
노광 및 식각 공정을 의도했던 대로 전개하기 어렵기 때문이다.
특히 난이도가 높은 노광 공정에 사용되는 노광 장비, 오버레이 계측 장비 쓰임새는 지속적으로 존재

 

③ Thin-film Metrology 시장

Thin-film Metrology 시장은 계측 시장 내에서 가장 큰 시장으로 약 10억 달러의 시장규모로 추정
가장 규모가 크며 성장성 또한 뛰어나다.

CD-SEM이나 Overlay와 달리 공정 전반적으로 사용되고 있기 때문이다.
국내 오로스테크놀로지가 향후 진입을 목표로 하는 시장

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■ Review 시장의 특징과 이슈

사장 규모는 20년 기준 약 4억 달러 수준으로 추정
미세화 심화 속 더 작은 defect에 대한 review 수요 증가에 따라 성장성은 존재

SEM(전자현미경)을 활용한 시장, Optical(광학)를 활용한 시장으로 구성
SEM이 80% 이상을 점유하고 있으며 파크시스템스와 같은 원자현미경 업체에 기회가 존재

출처: 삼성증권

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출처: 삼성증권

국내 4개 기업 주목 (넥스틴, 파크시스템스, 인텍플러스, 오로스테크놀로지)

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