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반도체 입문 · 3강

반도체 밸류체인: 상류·중류·하류의 역할과 협력

칩 하나는 재료, 설계, 포토마스크, 팹, 후공정을 거쳐 휴대폰에 들어가기까지 여러 회사를 거치는 경우가 많다. 먼저 각 단계가 무엇을 하는지, 왜 다른 회사가 맡는 경우가 많은지 살펴본 다음, 주문 하나를 따라 공정 선택부터 웨이퍼를 후공정 업체로 보내기까지 차례로 짚어 본다.

학습 목표

칩 하나를 만드는 분업: IC 설계 회사가 회로를 그리면, 이것이 포토마스크로 만들어져 팹에 넘어가고, 팹이 웨이퍼 위에 칩을 만들며, 후공정 공장이 테스트하고 패키징한 뒤, 마지막으로 제품에 들어간다. 소재와 장비는 공급사가 팹과 후공정 공장에 공급한다.
칩은 크게 세 단계를 거쳐 만들어지며, 단계마다 다른 회사가 맡는 경우가 많다. 소재와 장비는 또 다른 회사들이 공급한다.

한 단계씩

  1. 팹 한 곳과 공정 세대 하나를 고르고, 디자인 룰과 트랜지스터 모델을 받는다.

    이유회사마다, 세대마다 만들어지는 트랜지스터가 다르므로, 설계는 그 팹이 실제로 만들 수 있는 범위에 맞춰 그려야 한다.

    하지 않으면룰이 맞지 않으면 검사를 통과하지 못하고, 모델이 맞지 않으면 실제 칩의 속도와 소비 전력이 컴퓨터로 계산한 값과 크게 달라진다.

  2. 대략 언제 테이프아웃할지, 처음에 웨이퍼를 몇 장 투입할지, 이후 매달 얼마나 필요할지 협의한다.

    이유웨이퍼는 한번 들어가면 몇 달이 걸리고 장비 일정도 꽉 차 있는 경우가 많아, 팹은 미리 자리를 잡아 두어야 한다.

    하지 않으면설계를 마쳐도 일정에 끼어들지 못하면 기다릴 수밖에 없고, 제품이 잘 팔려도 더 만들 수 없다.

  3. 테이프아웃: 설계를 모두 검사한 뒤, 각 층의 도형 데이터 파일을 팹에 넘긴다.

    이유다음 단계인 포토마스크 제작은 비싸고 오래 걸리므로 오류는 여기서 잡아내야 한다. 그래서 팹도 파일을 받으면 한 번 더 검사한다.

    하지 않으면웨이퍼가 다 만들어진 뒤에야 오류를 발견하면, 돈과 몇 달의 시간을 함께 잃는다.

  4. 가장 미세한 몇 개 층은 먼저 컴퓨터로 패턴을 수정하고, 이어서 각 층을 포토마스크로 만들어 검사한다.

    이유패턴은 포토마스크를 통해 빛으로 웨이퍼에 찍어야 한다. 인쇄를 하려면 먼저 인쇄판을 만들어야 하는 것과 같다.

    하지 않으면포토마스크에서 놓친 결함 하나가 모든 웨이퍼에 그대로 찍힌다.

  5. 포토마스크가 도착하면 웨이퍼를 투입한다. 웨이퍼는 공정을 하나씩 거치며 수백 단계를 지나는데, 그 기간을 업계에서는 흔히 평균 3개월 안팎이라고 한다.

    이유칩은 수십 층을 쌓아야 하고 층마다 패턴을 찍고, 식각하고, 막을 입히고, 측정해야 하며, 대부분의 시간은 장비를 기다리며 줄을 서는 데 쓰인다.

    하지 않으면1주 늦게 투입하면 출하도 1주 늦어진다. 빨리 하려면 대기를 줄일 수는 있어도 공정을 하나라도 건너뛸 수는 없다.

  6. 웨이퍼가 완성되면 먼저 WAT를 측정한다. 칩 사이에 측정용으로 남겨 둔 작은 구조를 측정하고, 그 수치를 웨이퍼와 함께 고객에게 넘긴다.

    이유이 로트가 약속한 공정대로 만들어졌고, 고객이 설계할 때 쓴 모델과 일치한다는 것을 증명한다.

    하지 않으면어긋나게 만들어진 것을 발견하지 못하면 그대로 테스트, 절단, 패키징까지 거치게 되어 돈과 시간을 모두 헛되이 쓴다.

  7. 후공정 업체로 보낸다. 먼저 칩을 하나하나 테스트한 뒤, 자르고, 패키징하고, 다시 한 번 테스트한다.

    이유칩은 아직 웨이퍼에 붙어 있고 외장도 없어서, 그대로는 회로 기판에 납땜할 수 없다.

    하지 않으면불량을 먼저 골라내지 않으면 함께 패키징되어 돈이 더 들고, 심지어 고객 손에 들어갈 수도 있다.

핵심 설명

칩은 하나의 사슬을 따라가고, 단계마다 회사가 다른 경우가 많다

밸류체인은 칩 하나가 아무것도 없는 상태에서 완성되기까지 거치는 기업들의 긴 줄이다. 재료와 장비 공급사, 설계 소프트웨어와 반도체 설계 자산(IP: 다른 회사가 설계해 둔 회로 블록으로, 사서 칩에 그대로 넣는다), IC 설계, 포토마스크 업체, 팹, 후공정 업체가 있고, 마지막으로 칩을 회로 기판에 납땜해 제품으로 조립하는 조립 업체가 있다. 단계마다 필요한 돈과 역량이 크게 다르다. 설계에 드는 비용은 대부분 사람과 소프트웨어이고, 돈이 가장 많이 드는 곳은 팹이다. 가스 하나를 극도로 순수하게 만드는 일, 노광 장비 한 대를 만드는 일도 저마다 하나의 전문 분야다. 한 회사가 한 단계만 전문으로 맡아 여러 고객에게 팔아야 비용이 분산된다. 뉴스에서 말하는 상류·중류·하류(업스트림·미드스트림·다운스트림)는 흔히 두 가지 방식으로 나뉜다. 하나는 칩을 만드는 세 단계, 즉 설계, 제조, 후공정만 보는 방식이다. 다른 하나는 재료, 장비, 설계 소프트웨어를 상류로, 칩을 만들어 내는 세 단계를 모두 중류로, 칩을 제품에 쓰는 쪽을 하류로 보는 방식이다. ‘상류’라는 말을 보면 먼저 글쓴이가 어느 방식을 쓰는지 확인해야 한다. 설계 회사를 말할 수도 있고, 재료 업체를 말할 수도 있다.

네 종류의 회사: 어느 단계를 직접 하느냐의 차이

IDM(종합 반도체 기업)은 직접 설계하고 자체 팹도 갖고 있다. IC 설계 회사(영어로 fabless, ‘공장이 없다’는 뜻이며 흔히 팹리스라고 한다)는 설계만 하고 제조는 다른 회사에 맡긴다. 파운드리(foundry)는 다른 회사가 설계한 칩만 만들고, 자기 칩은 팔지 않는다. 후공정 업체(OSAT)는 패키징과 테스트를 전문으로 한다. 책 만들기에 빗대면 설계 회사는 출판사, 파운드리는 출판사마다 원고대로 찍어 주는 인쇄소, 후공정 업체는 제본소이고, IDM은 자체 인쇄소를 가진 출판사다. 이 이름들은 회사의 종류라기보다 역할에 가까워서, 한 회사가 둘 이상의 역할을 맡는 경우도 많다.

왜 이렇게 많은 회사로 나누는가? 고리 하나가 끊기면 어떻게 되는가?

가장 큰 이유는 팹이 매우 비싸다는 데 있다. 건물을 짓고 값비싼 장비를 여러 대 사야 하며, 팹 하나를 짓는 데 연 단위의 시간이 걸린다. 장비는 사들인 뒤로 쓰든 안 쓰든 날마다 감가상각되므로(가치가 시간에 따라 줄어든다), 장비가 바쁠수록 이득이고, 팹은 늘 로트를 꽉 채우고 싶어 한다. 회사 한 곳의 칩만으로는 팹 하나를 채우지 못하는 경우가 많은데, 파운드리가 여러 회사의 주문을 모으면 장비가 계속 일할 수 있다. 덕분에 설계 팀만 있는 작은 회사도 칩을 만들 수 있다. 대가는 이 사슬이 한 단계씩 맞물려 있다는 것이다. 앞 단계가 결과물을 넘기지 않으면 뒤 단계는 할 일이 없고, 가장 느린 단계가 제품의 완성 시점을 정한다. 끊기면 곧바로 메우기도 어렵다. 재료 하나, 장비 한 대, 후공정 업체 하나를 바꾸더라도 먼저 소량으로 시험 생산해 결과가 같은지 확인해야 한다. 웨이퍼 투입부터 완성까지 몇 주에서 몇 달이 걸리고, 새 팹을 짓는 데는 연 단위의 시간이 든다.

처음 만들 때: 셔틀과 시험을 거쳐 양산으로

샘플 몇 개를 얻자고 포토마스크 한 세트를 통째로 만들기에는 너무 비싸서, 처음 만들 때는 멀티 프로젝트 웨이퍼(MPW)를 흔히 이용한다. ‘셔틀’이라고도 한다. 여러 회사의 설계를 한 세트의 포토마스크에 함께 담아 웨이퍼 한 로트를 같이 만들고 비용을 나눈다. 대신 출발 날짜가 정해져 있고, 돌려받는 칩도 많지 않다. 자기 포토마스크를 만든 뒤에도 처음 몇 로트는 대개 엔지니어링 로트(시생산이라고도 많이 한다)다. 시험하고 문제를 찾기 위해, 몇 장의 웨이퍼에서 트랜지스터를 일부러 표준보다 조금 빠르게 또는 조금 느리게 만들어(이를 코너라고 한다) 설계가 버티는지 본다. 양산 로트는 확정된 표준 공정 하나를 따르며, 모든 로트를 같은 방식으로 만든다. 양산으로 넘어가기 전에는 흔히 몇 가지 관문을 통과해야 한다. 수율이 충분히 안정적이어야 하고, 신뢰성 시험을 통과해야 하며, 고객의 승인을 받아야 한다. 신뢰성 시험이 끝나기 전에 양산 로트를 먼저 투입하는 것을 리스크 투입이라고 한다. 그 뒤로 팹이 공정을 바꾸려 할 때 고객에게 영향이 있는 변경이라면 먼저 고객에게 정식으로 통보해야 한다.

흔한 오해

흔히 듣는 말칩 외장에 찍힌 회사가 그 칩을 만든 회사다.
실제로는외장에 찍힌 것은 그 칩을 파는 회사의 모델명이다. IC 설계 회사의 칩은 대개 파운드리가 만들고 후공정 업체가 패키징과 테스트를 마친 것이지만, 찍히는 것은 여전히 설계 회사의 모델명이다. 뉴스를 볼 때는 ‘이 회사는 어떤 종류인가’보다 ‘이 칩의 어느 단계를 누가 했는가’를 묻는 편이 낫다.
흔히 듣는 말뉴스에서 ‘새 칩 테이프아웃 완료’, ‘파운드리에서 웨이퍼 투입’이라고 하면 칩이 이미 만들어졌다는 뜻이다.
실제로는아직 아니다. 테이프아웃은 설계를 넘겨 이제 포토마스크를 만든다는 뜻으로, 손에는 아직 칩이 없다. 웨이퍼 투입은 웨이퍼 가공을 시작했다는 뜻이며, 완성까지 몇 달이 걸리고 그 뒤에 테스트와 패키징도 남아 있다. ‘샘플 공급 시작’도 칩을 사는 회사에 일부 칩을 먼저 보내 시험 사용과 검증을 하게 한다는 뜻일 뿐, 대량 출하는 아니다. 테이프아웃부터 칩을 손에 넣기까지 흔히 몇 달이 걸린다.

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생각해 보기

  1. 파운드리는 서로 경쟁하는 여러 회사의 칩을 동시에 만드는 경우가 많다. 작은 설계 회사를 차렸다면, 가장 값진 설계를 넘기기 전에 무엇을 먼저 분명히 물어 두고 싶을까?
  2. 처음 칩을 만들 때는 먼저 셔틀(MPW)을 탈 수도 있고, 곧바로 자기만의 포토마스크 한 세트를 만들 수도 있다. 직접 결정한다면 무엇을 따져 보겠는가? 두 방식은 각각 무엇을 대가로 치러야 할까?

수업 자료: 슬라이드

이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.

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