(반도체 시리즈 2) 반도체 생산 과정 및 투자 사이클

1. 반도체 생산 과정 (1) - 전공정 (밸류체인의 이해)

 

반도체를 만드는 과정 중 앞단에 해당하는 전공정은 크게 웨이퍼 제작과 회로를 새기는 공정으로 나눌 수 있습니다.

• 웨이퍼 제작 공정:
  • 반도체의 도화지가 되는 웨이퍼는 모래에서 실리콘을 정제하여 만듭니다.
  • 정제된 실리콘을 뜨거운 도가니에 녹인 후, 그 용액에 작은 씨앗 결정을 담그고 천천히 회전시키며 위로 끌어올려 소시지 모양의 '잉곳'을 만듭니다.
  • 이 잉곳을 다이아몬드 톱을 이용해 원판 모양으로 잘라낸 것이 웨이퍼입니다.
  • 웨이퍼는 표면이 거칠기 때문에 화학 용액으로 닦고 연마하는 과정을 거칩니다.
  • (참고: 제공된 문서에서는 이 웨이퍼 준비 과정을 '전공정'으로 부르고 있습니다. 일반적인 업계 표준으로는 아래의 노광/식각/증착 공정까지 묶어 전공정으로 분류합니다.)
• 패턴 및 노광 공정:
  • 반도체 공정 중 가장 비싸고 중요한 단계입니다.
  • 웨이퍼 위에 옛날 필름 카메라의 필름 역할을 했던 액체인 '포토레지스트(감광액)'를 얇게 바릅니다.
  • 회로도가 그려진 원판을 대고 강한 빛을 쏘는데(노광), 빛을 받은 부분의 감광액 성질이 변하게 됩니다.
  • 비싼 과정이라 테스트도 중요합니다.
  • 투자 관점에서는 빛을 쏘는 노광 장비, 포토레지스트, 그리고 설계도의 도화지가 되는 '블랭크 마스크'가 핵심 밸류체인입니다.
• 식각 (Etching) 공정:
  • 필요 없는 부분을 깎아 내는 조각 공정입니다.
  • 습식 식각: 약품에 담가 녹여 내는 방식입니다. 빠르고 싸지만 정밀도가 부족합니다.
  • 건식 식각: 미세 공정의 대세로, 가스를 플라즈마 상태로 만들어 이온들이 웨이퍼 표면을 두들겨 깎아 내는 방식입니다.
• 증착 (Deposition) 공정:
  • 얇은 막을 입히는 도색 과정입니다.
  • 전기가 안 통하는 절연막을 입히거나 전기가 통하는 금속막을 입히는 과정입니다.
  • 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 원자층 증착(ALD, 미세 공정의 핵심) 등이 있습니다. 증착 공정은 횟수가 많아 장비도 중요하지만 증착에 쓰이는 재료(전구체, 특수가스)를 공급하는 소재 기업들의 실적도 살펴보아야 합니다.

 

2. 반도체 생산 과정 (2) - 후공정 (칩을 완성하고 생명을 불어넣다)

 

과거에는 회로를 미세하게 그리는 전공정이 중요했다면, 최근에는 미세화가 물리적 한계에 부딪히면서 조립하고 포장하는 '후공정' 기술이 반도체의 성능을 결정짓는 핵심 투자처로 부상했습니다.

 

• EDS (Electrical Die Sorting) 테스트:
  • 전공정이 끝난 웨이퍼 상태에서 진행하는 첫 번째 수율 테스트입니다.
  • 웨이퍼 위의 수많은 칩에 전기적 신호를 보내 정상적으로 작동하는 칩(양품)과 불량 칩을 선별합니다.
  • 불량 칩에는 특수 잉크로 표시(Inking)를 남겨, 다음 패키징 단계에서 조립되지 않도록 걸러내어 비용과 시간 낭비를 막습니다.
• 패키징 (Packaging) 공정:
  • 웨이퍼 상태의 칩들을 우리가 흔히 보는 검은색 반도체 완제품 형태로 조립하고 포장하는 단계입니다.
  • 절단 (Dicing/Sawing): 둥근 웨이퍼 위에 촘촘히 배열된 칩들을 다이아몬드 톱이나 레이저를 이용해 낱개의 칩(Die)으로 정밀하게 잘라냅니다.
  • 칩 부착 (Die Attach): 잘라낸 칩을 메인보드 등과 연결될 수 있도록 기판(PCB)이나 리드프레임 위에 단단히 고정합니다.
  • 연결 (Wire Bonding & Flip Chip): 칩의 접점과 기판을 미세한 금선(Wire)으로 연결해 전기가 통하게 합니다. 최근에는 금선 대신 칩 아랫면에 작은 돌기(솔더볼/Bump)를 만들어 기판과 직접 맞붙이는 '플립칩(Flip Chip)' 방식이 속도와 크기 면에서 유리해 대세로 쓰입니다.
  • 성형/밀봉 (Molding): 칩이 열, 습기, 물리적 외부 충격으로부터 망가지지 않도록 에폭시 수지(EMC) 등 화학 물질로 칩 전체를 밀봉하여 단단하게 포장합니다.
• 첨단 패키징 (Advanced Packaging) 트렌드 [★투자 핵심]:
  • 최근 AI 반도체와 HBM(고대역폭 메모리) 열풍으로 인해, 칩에 미세한 구멍을 뚫어 아파트처럼 수직으로 층층이 쌓아 올리는 TSV(실리콘 관통 전극) 기술과, 서로 다른 기능을 하는 칩들을 하나의 패키지 안에 레고 블록처럼 이어 붙이는 칩렛(Chiplet) 기술이 후공정 투자의 가장 핵심적인 키워드로 떠오르고 있습니다.
• 파이널 테스트 (Final Test):
  • 패키징까지 모두 마친 최종 완제품 형태의 반도체가 극단적인 온도 변화, 높은 전압 등 가혹한 조건(Burn-in Test)에서도 제 성능을 내는지 확인하는 마지막 관문입니다. 이를 통과해야 비로소 전자기기에 탑재됩니다.

 

3. 반도체 투자 전략 (사이클과 타이밍)

 

반도체 투자는 파운드리, 메모리, 소부장(소재/부품/장비)을 쪼개서 봐야 합니다.

• 메모리와 파운드리의 차이:
  • 메모리가 주도하는 구간에는 반도체의 '가격(P)'이 중요합니다.
  • 파운드리가 주도하는 구간에는 '설비 증가' 규모가 중요합니다.
• 사이클에 따른 소부장 투자 순서:
  • 사이클 최저점: 파운드리와 IDM(종합반도체기업)에 먼저 주목해야 합니다.
  • 설비 투자(Capex) 시기: 공장을 짓고 기계를 들이는 시기이므로 장비주가 상승합니다. 장비주의 특징은 수주잔고가 미래의 매출이 되며, 꾸준한 서비스 매출이 바닥을 지지해 줍니다. 미세화와 적층 기술은 장비사들의 큰 성장 동력입니다.
  • 라인 풀가동 시기: 공장이 100% 가동되면 소모품이 끊임없이 필요하므로 소재 및 부품주가 수혜를 봅니다.
• 메모리 고점 신호와 순환매 (P에서 Q로의 이동):
  • 메모리 상승장은 가격이 오르는 P사이클 장과 물량이 늘어나는 Q사이클 장이 있는데, 어느 것이 먼저 올라가느냐의 차이가 있습니다.
  • 메모리의 피크(고점)는 주로 기업의 '영업이익률 성장률'이 평평해질 때 찾아옵니다.
  • 이때 투자의 포인트가 P(가격)에서 Q(물량)로 넘어갑니다. 마진이 올라갈 여지가 줄어들면, 기업은 다음 성장을 위해 물량 증대와 세대(공정) 전환으로 에너지를 옮기기 때문입니다.
  • 바로 이 시점에 파운드리와 장비주들이 상승하게 됩니다.
• AI 수혜의 확산 순서:
  • AI 트렌드의 수혜는 '인프라 및 보안' ➔ '공공/회사 서비스' ➔ '개인 서비스' ➔ '물리적 디바이스' ➔ '양자/우주' 순서로 이어집니다.