반도체 산업은 한국의 대표적 산업으로 2018년 20.9%의 수출 비중을 차지하였고 2019년 미중 무역 분쟁의 영향으로 17.3% 수준까지 하락하였으나 지속적인 성장과 발전이 예상되며 한국경제를 이끌어갈 대표 산업이다. 국내 메모리 반도체산업은 그간 앞선 기술력과 대규모 설비투자를 통해 2002년 이후 세계시장점유율 1위를 지속적으로 유지하고 있으며. 주요 수요처는 PC에서 모바일, 자동차, 에너지, 바이오, 헬스케어 분야로 발전되어 왔으며 ...
국문 초록
반도체 산업은 한국의 대표적 산업으로 2018년 20.9%의 수출 비중을 차지하였고 2019년 미중 무역 분쟁의 영향으로 17.3% 수준까지 하락하였으나 지속적인 성장과 발전이 예상되며 한국경제를 이끌어갈 대표 산업이다. 국내 메모리 반도체산업은 그간 앞선 기술력과 대규모 설비투자를 통해 2002년 이후 세계시장점유율 1위를 지속적으로 유지하고 있으며. 주요 수요처는 PC에서 모바일, 자동차, 에너지, 바이오, 헬스케어 분야로 발전되어 왔으며 4차 산업혁명 시대를 주도할 VR, IR, IOT 분야로 발전되어 지속적으로 부가가치를 창출할 것으로 예상된다. 그러나 현재 국내 반도체산업은 메모리반도체를 제외하고는 취약하여 전략적으로 경쟁력 보완이 필요하다. 메모리반도체의 세계 1위 유지는 물론, ASIC 분야의 발전을 위해서는 반도체 장비, 부품, 소재의 국산화 제고를 통하여 반도체 산업 전,후방 생태계 전반의 경쟁력 확보가 필수적이다. 기술적으로 한국 반도체 산업의 성장과 발전을 견인해온 것은 미세화를 통한 생산성 향상 전략이었으나 최근 기술적 한계에 도달함에 따라 후발주자와의 기술 격차를 유지하기 위한 추가 전략 보완이 필요한 시점이다. 본 논문에서는 운용 측면의 관점에서 원가 경쟁력 향상 및 품질 안정화 등의 방안에 대한 연구를 실행 하였다. 반도체는 미세화가 진행되어감에 따라 공정이 누적되는 셀부분과 동작 회로를 구성하는 주변부 사이의 단차 차이가 필연적으로 발생하게 되고 이를 보완해주기 위해 CMP (Chemical Mechanical Polishing) 공정이 필수적으로 도입되어 운용되고 있으나 평탄화 공정에서 CMP 공정에 사용되는 연마재는 미세 스크래치를 유발하고 수율, 품질 및 생산성을 감소시키는 주요 요인이 되고 있다. 따라서 이를 제어하기 위해 CMP 공정 완료 이 후 모든 웨이퍼에 대해 전수 검사를 수행해야하나 전수 검사를 수행하기 위해서는 측정 공정 및 장비의 추가 도입이 필요하며 이를 위해서는 계측 장비 구매 비용 과 설치를 위한 비용 과 별도 공간도 필요하다. 신규 계획된 생산 라인에서는 검토 후 투자 및 설치가 가능하지만 기존 생산 시설에서는 투자비가 확보 되더라도 공간의 제약으로 설치 및 운영이 어려운 문제가 발생하였다. 본 논문은 이러한 문제를 해결하기 위해 계측 장비를 소형화하여 공정 장비에 삽입하고 장착 운영하여 원가 경쟁력 및 품질 안정화 측면에서 가능성을 파악 하였다. 본 연구를 위한 조건으로는 신규 메모리 공장의 예상 투자 금액을 10nm급 Dram 디바이스 와 공정 수 600개를 대상으로 예상 효과를 산출 하여 운용 측면의 가능성에 대해 분석하였으며 실현 가능성 검증을 위하여 실증 장치를 설계, 제작, 시연하였다. 공정 계측 일체형 장비의 연구 결과 및 개발 성과로는 첫째 원가 경쟁력 관점으로 1). 메모리 신규 공장 건설에 ㎡당 3.8억 정도의 장비 투자비용이 산출될 경우 CMP 후의 공정 전수 검사 12개중 50%를 장비 일체형으로 운영할 경우 1,400억의 투자 절감 효과가 예상됨 2). 월간 200,000장의 웨이퍼를 생산 시 CMP 12공정 중 50%정도만 적용 될 수 있다고 가정 하면 약 2,000장/월 정도의 증산이 가능하며 DDR4 8Giga 기준 $14,000,000/월 의 매출 증가가 예상 된다. 3). CMP 1개 공정당 계측 1개 공정이 줄어들어 12개 공정 중 50% 적용 시 6공정 단순화 효과가 발생 된다. 둘째로 품질 안정화 측면으로 1). CMP 공정에서 이전 공정의 단차 평탄도 데이터를 입력 하여 실시간 보정해주는 방식으로 공정이 이루어지게 되어 후속 공정의 공정 여유도가 개선된다. 2). 연마 공정에서 실시간 공정 진행 후 발생되는 계측 데이터를 실시간으로 장비의 Source Parameter에 조정하여 공정 데이터의 안정화가 가능하다. 본 논문에서는 반도체 원가 경쟁력 과 품질 안정화를 향상시키는 방향으로 공정 과 계측 일체형 장비를 제안 검토하였고 실현 가능성을 확인하기 위하여 시연제품을 제작 평가하였다. 우리나라가 반도체 제조 기술을 선도하는 반도체 강국으로뿐만 아니라 공정 장비의 개선 과 개조 분야의 기술을 선도하는 반도체 강국이 되기를 기원 한다.
국문 초록
반도체 산업은 한국의 대표적 산업으로 2018년 20.9%의 수출 비중을 차지하였고 2019년 미중 무역 분쟁의 영향으로 17.3% 수준까지 하락하였으나 지속적인 성장과 발전이 예상되며 한국경제를 이끌어갈 대표 산업이다. 국내 메모리 반도체산업은 그간 앞선 기술력과 대규모 설비투자를 통해 2002년 이후 세계시장점유율 1위를 지속적으로 유지하고 있으며. 주요 수요처는 PC에서 모바일, 자동차, 에너지, 바이오, 헬스케어 분야로 발전되어 왔으며 4차 산업혁명 시대를 주도할 VR, IR, IOT 분야로 발전되어 지속적으로 부가가치를 창출할 것으로 예상된다. 그러나 현재 국내 반도체산업은 메모리반도체를 제외하고는 취약하여 전략적으로 경쟁력 보완이 필요하다. 메모리반도체의 세계 1위 유지는 물론, ASIC 분야의 발전을 위해서는 반도체 장비, 부품, 소재의 국산화 제고를 통하여 반도체 산업 전,후방 생태계 전반의 경쟁력 확보가 필수적이다. 기술적으로 한국 반도체 산업의 성장과 발전을 견인해온 것은 미세화를 통한 생산성 향상 전략이었으나 최근 기술적 한계에 도달함에 따라 후발주자와의 기술 격차를 유지하기 위한 추가 전략 보완이 필요한 시점이다. 본 논문에서는 운용 측면의 관점에서 원가 경쟁력 향상 및 품질 안정화 등의 방안에 대한 연구를 실행 하였다. 반도체는 미세화가 진행되어감에 따라 공정이 누적되는 셀부분과 동작 회로를 구성하는 주변부 사이의 단차 차이가 필연적으로 발생하게 되고 이를 보완해주기 위해 CMP (Chemical Mechanical Polishing) 공정이 필수적으로 도입되어 운용되고 있으나 평탄화 공정에서 CMP 공정에 사용되는 연마재는 미세 스크래치를 유발하고 수율, 품질 및 생산성을 감소시키는 주요 요인이 되고 있다. 따라서 이를 제어하기 위해 CMP 공정 완료 이 후 모든 웨이퍼에 대해 전수 검사를 수행해야하나 전수 검사를 수행하기 위해서는 측정 공정 및 장비의 추가 도입이 필요하며 이를 위해서는 계측 장비 구매 비용 과 설치를 위한 비용 과 별도 공간도 필요하다. 신규 계획된 생산 라인에서는 검토 후 투자 및 설치가 가능하지만 기존 생산 시설에서는 투자비가 확보 되더라도 공간의 제약으로 설치 및 운영이 어려운 문제가 발생하였다. 본 논문은 이러한 문제를 해결하기 위해 계측 장비를 소형화하여 공정 장비에 삽입하고 장착 운영하여 원가 경쟁력 및 품질 안정화 측면에서 가능성을 파악 하였다. 본 연구를 위한 조건으로는 신규 메모리 공장의 예상 투자 금액을 10nm급 Dram 디바이스 와 공정 수 600개를 대상으로 예상 효과를 산출 하여 운용 측면의 가능성에 대해 분석하였으며 실현 가능성 검증을 위하여 실증 장치를 설계, 제작, 시연하였다. 공정 계측 일체형 장비의 연구 결과 및 개발 성과로는 첫째 원가 경쟁력 관점으로 1). 메모리 신규 공장 건설에 ㎡당 3.8억 정도의 장비 투자비용이 산출될 경우 CMP 후의 공정 전수 검사 12개중 50%를 장비 일체형으로 운영할 경우 1,400억의 투자 절감 효과가 예상됨 2). 월간 200,000장의 웨이퍼를 생산 시 CMP 12공정 중 50%정도만 적용 될 수 있다고 가정 하면 약 2,000장/월 정도의 증산이 가능하며 DDR4 8Giga 기준 $14,000,000/월 의 매출 증가가 예상 된다. 3). CMP 1개 공정당 계측 1개 공정이 줄어들어 12개 공정 중 50% 적용 시 6공정 단순화 효과가 발생 된다. 둘째로 품질 안정화 측면으로 1). CMP 공정에서 이전 공정의 단차 평탄도 데이터를 입력 하여 실시간 보정해주는 방식으로 공정이 이루어지게 되어 후속 공정의 공정 여유도가 개선된다. 2). 연마 공정에서 실시간 공정 진행 후 발생되는 계측 데이터를 실시간으로 장비의 Source Parameter에 조정하여 공정 데이터의 안정화가 가능하다. 본 논문에서는 반도체 원가 경쟁력 과 품질 안정화를 향상시키는 방향으로 공정 과 계측 일체형 장비를 제안 검토하였고 실현 가능성을 확인하기 위하여 시연제품을 제작 평가하였다. 우리나라가 반도체 제조 기술을 선도하는 반도체 강국으로뿐만 아니라 공정 장비의 개선 과 개조 분야의 기술을 선도하는 반도체 강국이 되기를 기원 한다.
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