이번 기사에서는 반도체 관련 종목에 대해 알아보겠습니다. 기술혁신이 진행 중인 향후 시장 활성화가 기대되는 일본 주식 특히, 반도체주. 그에 앞서, 현대 사회의 근간을 이루는 반도체란 무엇인지, 반도체의 역할과 진화하는 반도체 기술과 그 효과에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 또한, 반도체 제조 공정에 대한 소개와 그중 반도체 사업을 견인하고 있는 일본 주식에 대하여 소개해드리도록 하겠습니다.
목차
1. 현대 사회의 근간을 이루는 반도체란?
반도체는 전자부품의 일종으로 실리콘 등으로 만들어진 집적회로(IC, LSI)라고 불리는 전자부품을 총칭합니다.
전자부품으로써의 반도체는 어떤 조건에서는 전기를 통하고 다른 조건에서는 전기를 통하지 않는 성질을 가지고 있으며, 이 독특한 성질을 이용해 전기의 흐름을 제어할 수 있습니다.
우리가 살고 있는 현대 사회는 지난 30년간 등장한 컴퓨터와 스마트폰으로 인해 이전과는 비교할 수 없을 정도로 크게 변화했습니다.
집에 있든, 외출 중이든, 어디서든 누구와도 전화나 이메일로 연락할 수 있고, 손 안의 조작으로 모든 것을 확인할 수 있게 되었습니다. 이로 인해 기업의 생산성이 크게 향상되었기도 합니다.
감시 카메라와 작업용 로봇은 24시간 쉬지 않고 작동합니다. 에어컨, 냉장고, 세탁기 등 가전제품에 새로운 기능이 속속 탑재되고 있으며, 자동차 운전은 언젠가는 완전히 자동화될 것입니다. 대형 컴퓨터의 연산 속도는 점점 빨라져 우리의 삶을 편리하고 안전하게 만들어주고 있습니다.
이러한 생활의 근간을 지탱하고 있는 것이 바로 '반도체'입니다. 반도체의 모습은 눈에 보이지 않지만, 이제는 우리 사회에 없어서는 안 될 존재가 되었습니다.
반도체는 실리콘 웨이퍼 위에 사진 인쇄 기술을 이용해 100만~수억 개의 반도체 소자(기존의 트랜지스터, 저항, 커패시터 등의 전자부품)를 마이크론 단위로 만듭니다. 불과 3~4천 개에 불과한 반도체 칩 안에 과거 대형 컴퓨터의 성능을 훨씬 능가하는 전자부품이 탑재되어 있는 것입니다.
완성된 실리콘 웨이퍼에는 작은 실리콘 칩이 주사위처럼 수백 개 이상 배열되어 있고, 그 하나하나가 기존의 전자부품을 다수 탑재한 인쇄회로기판(전자회로기판)과 동일한 기능을 가지고 있습니다.
실리콘 웨이퍼에서 칩을 하나하나 잘라내어 패키지에 담아낸 것이 우리가 보는 집적회로(IC, LSI)입니다. 이 작은 칩이야말로 현대 사회 구석구석을 움직이는 뛰어난 성능의 전자부품이며, 대기업들은 매년 막대한 투자를 하고 있습니다.
한참 전 인쇄회로기판 시대에는 커패시터, 다이오드, 트랜지스터 등 개별 전자부품의 크기가 각각 10mm 정도였습니다. 하지만 현재 실리콘 웨이퍼 위의 반도체 소자는 각각 0.2~0.01마이크로미터보다 작아졌습니다. (0.01마이크로미터는 0.001밀리미터)
기존 인쇄 회로 기판은 수 밀리미터에서 수 센티미터 크기의 IC 칩이므로 소형화, 경량화할 수 있게 되었습니다. 이로써 동작 속도가 비약적으로 빨라지고, 전자기기는 훨씬 더 작아지고, 소비 전력도 크게 줄일 수 있게 되었습니다.
2. 반도체의 역할이란?
반도체는 전자 회로에서 다음과 같은 역할을 한다.
2.1 전기 신호의 증폭, 스위칭
반도체는 전자회로의 전압과 전류를 제어합니다.
여기에는 두 가지 작용이 있는데, 하나는 입력된 작은 전기 신호를 크게 만들어 출력하는 증폭 작용입니다. 라디오, TV, 스마트폰 등 모든 가전제품은 미약한 전파를 안테나로 수신하고, 이를 증폭하고 신호 처리를 거쳐 음성이나 영상으로 복원합니다. 두 번째는 전기의 흐름을 ON과 OFF로 구분하는 스위칭입니다. 반도체는 이를 0과 1의 디지털 신호로 바꿔주는 역할을 합니다.
2.2 전기 에너지를 빛으로 변환
반도체는 전기 에너지를 빛으로 변환하는데, LED 전구나 신호등의 발광 다이오드, 광통신에 사용되는 레이저 다이오드가 이에 해당합니다.
TV 리모컨을 TV 수상기를 향해 조작하면, 끝부분의 발광 다이오드에서 적외선 제어 신호가 발산되어 TV 수상기를 조작할 수 있습니다. 이 역시 반도체의 역할이다.
2.3 빛을 전기에너지로 변환
반도체는 빛을 전기 에너지로 변환합니다. 태양의 빛을 전기에너지로 변환하는 것이 태양광 패널(태양광 발전)입니다. 디지털 카메라나 스마트폰의 이미지 센서도 물체의 빛을 전기 신호(이미지)로 변환합니다.
3. 진화하는 반도체 기술과 그 효과
지난 20년간 반도체의 미세화가 급속도로 진행되었습니다. 세계 최초로 CPU(중앙처리장치)를 발표한 것은 1971년 미국의 인텔(Intel)입니다. 당시 칩에 내장된 트랜지스터의 크기는 한 변의 크기가 10마이크로미터, 칩 한 개에 탑재된 트랜지스터의 수는 2,300개였습니다.
현재 반도체에 탑재되는 트랜지스터는 한 변의 크기가 3나노미터, 탑재되는 개수는 150억 개에 달합니다. 따라서 당시와 지금의 반도체 개수를 단순 비교하면 트랜지스터의 변의 크기는 3,300분의 1, 면적은 1,000만분의 1까지 작아졌다는 것을 알 수 있습니다.
작은 우표 크기의 SD카드(512기가)에 표준적인 이미지 데이터라면 40만 장 이상의 대용량 데이터를 저장할 수 있습니다. 이처럼 대용량 데이터를 손쉽게 휴대할 수 있게 된 것입니다. 전자기기의 소형화, 박형화, 배터리 사용의 장수명화 등에 기여하고 있는 것이 바로 반도체입니다.
반도체에 탑재되는 트랜지스터를 미세화하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있습니다.
3.1 동작 주파수가 빨라진다
반도체의 동작 속도는 채널 길이에 따라 달라집니다. 채널 길이가 짧을수록(트랜지스터의 형상이 작을수록) 스위칭 속도가 빨라지기 때문에 동작 주파수가 빨라집니다.
3.2 소비전력이 감소한다.
반도체의 소비전력은 트랜지스터의 ON, OFF에 따라 달라지는데, 트랜지스터 한 개의 소비전력은 매우 작지만, 그것이 한 칩에 100만 개에서 수억 개가 탑재되면 그 자체로 소비전력은 엄청나게 커집니다. 소비전력이 줄어들면 배터리 수명이 길어지고, 발열로 인한 고온에서의 동작 불량을 방지할 수 있으며, 따라서 냉각장치도 소형화할 수 있습니다.
3.3 집적도가 증가한다.
트랜지스터를 미세화하면 반도체에 탑재할 수 있는 트랜지스터 수가 늘어납니다. 폭발적으로 늘어난다고 해도 과언이 아닙니다. 그렇게 해서 큰 전자제품도, 복잡한 소프트웨어도 하나의 칩으로 구동할 수 있게 된 것입니다.
4. 반도체 제조 공정
현대 사회를 지탱하는 반도체를 제조하기 위해서는 독특한 공법이 필요합니다. 반도체 제조 공정은 전 공정과 후 공정으로 나뉩니다.
전 공정은 웨이퍼를 제조하는 과정, 후 공정은 완성된 칩을 제품으로 만드는 과정입니다. 그리고 최종 검사를 거쳐 전자부품으로 완성되어 제품으로 출하됩니다.
전 공정(웨이퍼 공정)은 실리콘 웨이퍼 위에 수백만에서 수억 개의 트랜지스터 및 다이오드를 다음 공정을 여러 번 반복하여 형성해 나갑니다.
4.1 반도체 제조(전 공정)
1. 산화
웨이퍼에 얇고 균일한 실리콘 산화막(SiO₂)을 형성한다.
2. 노광 (포토)
포토마스크에 그려진 패턴을 노광장치를 이용하여 감광재(레지스트)를 도포한 웨이퍼 위에 전사, 현상한다.
3. 식각 (에칭)
박막 위에 전사, 형성된 패턴을 약품이나 이온의 화학반응(부식작용)에 의해 형상 가공한다.
4. 이온 주입
이온을 주입하여 반도체 소자에 필수적인 P형, N형의 반도체 영역을 형성한다.
5. 증착
반도체 소자를 구동하기 위해 다양한 물질을 회로에 박막을 형성한다.
6. 금속배선 공정
웨이퍼 위에 절연막, 금속배선막 등 박막을 생성한다.
7. 수차례의 공정 반복
위 3~4번의 공정을 반복할 때마다 세정과 표면 연마가 들어간다.
8. 웨이퍼 검사
합격한 것이 후공정으로 넘어간다.
최첨단 반도체는 수개월에 걸쳐 실리콘 웨이퍼 한 장당 400~600개의 공정을 거쳐 완성되는 것으로 알려져 있습니다.
4.2 반도체 제조(후 공정)
후 공정은 회로를 생성한 칩을 제품으로 완성하는 공정입니다.
1. 다이싱
웨이퍼를 하나하나의 칩으로 절단하는 과정입니다.
2. 마운팅
절단된 칩에 금속으로 된 리드 프레임을 접합한다.
3. 본딩
장착된 칩과 리드 프레임을 금선으로 연결한다.
4. 금형
리드 프레임에 연결된 칩을 수지나 세라믹으로 봉입한다.
5. 마무리(마킹)
리드프레임을 분리, 정형을 하고 마킹을 하여 완성한다.
마지막으로 제품 검사(전기적 특성, 외관 검사), 신뢰성 검사(환경 시험, 수명 시험), 초기 불량품 선별(습도, 온도, 전압 등 스트레스 가속 시험) 등의 출하 검사를 거쳐 제품으로서의 집적회로가 완성됩니다.
5. 전 세계 반도체 사업을 주도하는 일본 반도체주
반도체 제조와 관련된 종목 군은 매우 다양하지만, 그중 대표적인 일본 기업들을 소개하고자 합니다. 아래 나열된 대부분의 종목은 일본 반도체 제조 공정에 관련된 기업들입니다.
5.1 도쿄 일렉트론 (8035)
반도체 제조 장비로 세계 톱 셀러의 한 축을 담당하고 있습니다. 코터/디벨로퍼(도포, 현상 장치), 에칭, 성막 장치, 이온빔, 본더 등 반도체 제조 공정의 거의 모든 면에서 이 회사의 제품이 사용되고 있습니다. 연간 출하량 6,000대, 특허 보유 건수 19,572건, 도포장치, 가스 케미컬 에칭, 확산로에서 세계 1위의 점유율을 자랑하는 등, 도쿄일렉트로닉스의 제조장비를 거치지 않은 반도체는 없다는 말이 있을 정도로 전 세계에 널리 보급되어 있습니다. 세계 최고 수준의 기술개발 투자를 통해 반도체의 저전력화, 고성능화에 기여하고 있습니다. 명실상부한 반도체 제조 장비의 글로벌 리딩 기업입니다.
5.2 스크린홀딩스 (7735)
반도체 제조 장비 중 웨이퍼 세정 장비에서 세계 1위의 점유율을 보유하고 있습니다. 사진 제판용 유리 스크린 제조를 시작으로 인쇄 기술을 활용해 반도체, 디스플레이로 사업을 확장해 왔습니다. 그중에서도 웨이퍼 세정장비는 1983년 최초로 웨이퍼 세정장비를 개발한 이후 현재까지 웨이퍼 표면의 최적 처리를 추구하며 진화해 왔습니다. 보급형 장비인 'SU 시리즈'는 시간당 1,200장의 세정 능력으로 세계 최고 수준을 실현했습니다. 업계의 사실상의 표준이 되고 있습니다. 최신 'FC-3100'은 장비 본체가 4개의 독립된 표준 모듈로 나뉘어 결합되는 심플한 구조를 채택했습니다. 조립부터 조정, 검사, 반입까지 원활하게 진행할 수 있습니다.
5.3 디스코 (6146)
반도체 웨이퍼 다이싱 장비 세계 1위 기업. 절단뿐만 아니라 연삭, 연마 장비에서도 높은 점유율을 보유하고 있습니다. 다이싱은 웨이퍼에 형성된 집적회로를 절단해 칩으로 만드는 공정으로 매우 높은 정밀도가 요구됩니다. 이 회사가 주장하는 최신 DBG(Dicing Before Grinding) 공정은 '후면 연삭→웨이퍼 절단'이라는 기존 공정을 뒤집어 먼저 웨이퍼를 반으로 자른 후, 후면 연삭을 통해 칩을 분할하는 기술입니다. 칩 분할(다이싱) 시 웨이퍼 파손을 최소화합니다. 그라인더를 통한 연삭으로 칩 분리를 하기 때문에 얇은 웨이퍼를 운반하는 리스크도 줄일 수 있습니다. 높은 실적 발표를 등에 업고 가장 큰 주가 상승률을 보여주고 있습니다.
5.4 아드반테스트 (6857)
후공정에서 사용되는 반도체 검사 장비 세계 최고 수준. 반도체 칩의 동작속도의 고속화, 고기능화가 극한으로 치닫고 있는 현대의 반도체 산업에서는 테스트 시스템에도 저비용화가 요구되며, 수명이 길고 확장성이 높은 테스트 장비가 요구되고 있습니다. 아드반테스트가 제공하는 테스트 셀은 셀당 최대 384개, 셀당 최대 1536개의 셀을 동시에 측정할 수 있습니다. 구조도 콤팩트해 차지하는 바닥면적이 기존 테스트 시스템 대비 절반 수준으로 축소됐습니다. 중기 사업 계획으로 양산 테스트용 시스템에서 더 나아가 양산 전후의 설계 및 평가까지 사업 영역을 넓히는 것을 목표로 하고 있다. 높은 가이던스 제시에 힘입어 디스코 다음으로 높은 주가 성장률을 보이고 있습니다.
5.5 신에츠화학공업 (4063)
자회사 '신에츠반도체'가 제조하는 반도체용 실리콘 웨이퍼에서 세계 1위의 점유율을 가지고 있습니다. 실리콘 웨이퍼는 지구상에서 산소 다음으로 많이 존재하는 원소인 '실리콘'으로 제조됩니다. 실리콘에서 금속 실리콘을 만들고, 그 금속 실리콘에서 99.99999999999%(일레븐나인)라는 매우 높은 순도의 실리콘 덩어리인 다결정 실리콘이 만들어집니다. 신에츠반도체는 다결정 실리콘을 원료로 결정 성장 기술을 활용해 일정한 원자 배열을 가진 직경 30cm(300mm), 길이 3미터의 큰 실리콘 결정(단결정) 잉곳을 만들어냅니다. 이를 얇게 슬라이스 하면 실리콘 웨이퍼가 만들어집니다. 이 외에도 PVC 수지, 고기능성 수지, 강력 자석 등 경쟁력 있는 제품군을 보유하고 있습니다.
5.6 도쿄응화공업 (4186)
반도체 제조 전 공정에 필수적인 포토레지스트(감광성 소재) 세계 1위 기업. 미세 가공 기술에 정평이 나 있습니다. 포토레지스트는 원판(포토마스크)에 그려진 반도체 회로 설계도를 노광장치를 이용한 사진 제판 기술을 응용해 실리콘 칩에 축소, 전사하는 과정에서 필수적인 재료로, 1968년 일본 최초로 반도체용 포토레지스트를 개발하여 현재 모든 노광장치에 대응하는 포토레지스트를 풀 라인업으로 제공하고 있습니다. 세계 점유율은 26%에 달합니다.
6. 같이 보면 좋은 영상
https://youtu.be/gDpj2K1u1cc?si=ny9tC-a5sADNu7HQ
7. 같이 보면 좋은 글
엔저의 이유와 그 혜택을 누리는 일본 종목은? 엔화 약세 수혜주 일본 주식
이번 글에서는 '엔화 약세 수혜 종목'에 대해 설명하겠습니다. 2022년 10월, 엔화가 달러 대비 151엔94센트로 32년 만에 최저치(엔저)를 기록했습니다. 이는 시장에서 큰 화제를 불러일으켰습니다.
dongchaan.com
도요타 자동차를 시작으로 실용화 추진력 높아지는 '전고체전지' 관련 종목들
도요타 자동차 주가 상승, 2027년 전고체전지 실용화에 나섭니다. 전고체전지는 EV(전기자동차) 보급의 게임 체인저가 될 것인지에 대한 고찰과 전고체전지 관련 투자 있는 종목들에 대하여, 그리
dongchaan.com
