Applied Materials는 어떻게 반도체 제조공정을 지배하게 되었을까?

반도체 산업을 움직이는 글로벌 기업 ⑯

Applied Materials 기업 증착·식각·CMP·GAA·HBM을 움직이는 장비 기술

핵심 키워드: Applied Materials, 어플라이드 머티어리얼즈, 반도체 장비, 증착, 식각, CMP, PVD, CVD, ALD, GAA, HBM, 3D NAND, EUV, 반도체 제조공정

들어가며 – 반도체를 만드는 회사 뒤에는 장비기업이 있다

앞선 1강부터 15강까지는 반도체를 설계하거나 생산하는 기업들을 중심으로 살펴봤다.

삼성전자와 SK하이닉스는 메모리 반도체를 만들고, TSMC는 세계적인 파운드리 기업으로 성장했다.

NVIDIA와 AMD는 AI와 GPU 반도체를 설계하고, Qualcomm은 모바일과 통신 반도체를 발전시켰다.

그리고 Broadcom은 AI 데이터센터의 네트워크와 ASIC 분야에서 중요한 역할을 하고 있다.

그런데 여기서 한 가지 질문이 남는다.

“이 반도체들은 도대체 어떤 장비로 만들어질까?”

반도체 제조공장에서는 수많은 정밀 장비가 사용된다.

웨이퍼 위에 얇은 막을 만들고,

필요 없는 부분을 제거하고,

표면을 평평하게 만들고,

미세한 구조를 형성하고,

수십, 수백 개의 공정을 반복하면서 하나의 반도체가 완성된다.

이러한 제조공정에서 매우 중요한 기업이 바로 Applied Materials다.

Applied Materials는 미국의 대표적인 반도체 제조장비 기업이다.

특히 증착, 식각, 이온주입, CMP, 검사·계측 등 다양한 공정 장비와 솔루션을 제공한다.

이번 16강에서는 Applied Materials가 어떤 기업인지부터 시작해 증착과 식각, CMP가 무엇인지, GAA와 HBM, 3D NAND에서 왜 장비 기술이 중요해지는지 살펴보겠다.

Applied Materials는 어떤 회사인가?

Applied Materials는 미국 캘리포니아주 산타클라라에 본사를 둔 반도체 및 디스플레이 장비 기업이다.

반도체 산업에서 Applied Materials는 대표적인 장비 공급기업으로 분류된다.

삼성전자나 TSMC가 웨이퍼를 이용해 반도체를 생산한다면,

Applied Materials는 그 반도체를 만들기 위해 필요한 제조장비와 공정 기술을 제공한다.

간단하게 표현하면,

NVIDIA

→ 반도체 설계

TSMC

→ 반도체 제조

Applied Materials

→ 반도체 제조에 필요한 핵심 장비와 공정 기술

이라고 이해할 수 있다.

즉 Applied Materials는 완성된 반도체를 판매하는 회사가 아니라 반도체가 만들어지는 생산라인 자체에 들어가는 장비를 공급하는 회사다.

왜 반도체 장비기업이 중요한가?

반도체 제조는 단순히 웨이퍼에 회로를 한 번 새기는 작업이 아니다.

수많은 공정을 반복해야 한다.

대표적인 공정은 다음과 같다.

웨이퍼 준비

↓

증착

↓

포토리소그래피

↓

식각

↓

세정

↓

이온주입

↓

CMP

↓

검사·계측

↓

다시 반복

반도체의 미세화가 진행될수록 각 공정의 정밀도가 더욱 중요해진다.

특히 수 나노미터 수준의 구조를 만들 때는 아주 작은 공정 오차도 반도체 성능과 수율에 영향을 줄 수 있다.

따라서 반도체 기업이 아무리 좋은 설계를 가지고 있어도 이를 실제 제품으로 만들기 위한 제조장비와 공정기술이 뒷받침되어야 한다.

Applied Materials의 가장 중요한 기술 – 증착

Applied Materials를 이해할 때 가장 먼저 알아야 하는 기술이 증착(Deposition)이다.

증착은 웨이퍼 표면에 매우 얇은 물질층을 형성하는 공정이다.

쉽게 비유하면,

웨이퍼 위에

원자 또는 분자 수준의 매우 얇은 막을 하나씩 쌓는 작업

이라고 생각할 수 있다.

반도체에는 수많은 종류의 박막이 필요하다.

전도성 물질도 필요하고,

절연막도 필요하며,

반도체 재료와 보호막도 필요하다.

따라서 증착은 반도체 제조에서 매우 중요한 기본 공정이다.

PVD와 CVD는 무엇일까?

증착에는 여러 가지 방법이 있다.

대표적으로 PVD와 CVD를 들 수 있다.

PVD

PVD는 Physical Vapor Deposition의 약자다.

물리적인 방법을 이용해 재료를 기화하거나 튀겨 웨이퍼 표면에 얇은 막을 형성한다.

CVD

CVD는 Chemical Vapor Deposition의 약자다.

기체 상태의 화학물질을 이용해 웨이퍼 표면에서 화학반응을 일으키고 원하는 막을 형성한다.

두 방식은 사용되는 재료와 구조, 공정 조건에 따라 서로 다른 장점을 가진다.

반도체 제조에서는 하나의 증착 방식만 사용하는 것이 아니라 목적에 따라 다양한 증착 기술을 활용한다.

ALD는 왜 중요한가?

반도체가 점점 미세해지면서 또 하나의 중요한 기술이 등장한다.

바로 ALD(Atomic Layer Deposition)다.

ALD는 원자층 단위로 매우 얇은 막을 형성할 수 있는 증착 기술이다.

쉽게 생각하면 페인트를 한 번에 두껍게 칠하는 것이 아니라,

원자 수준의 아주 얇은 층을 하나씩 정밀하게 쌓는 방식

이라고 이해할 수 있다.

반도체 구조가 매우 작아지면 막의 두께를 정밀하게 제어하는 것이 중요해진다.

특히 3D 구조에서는 복잡한 형태의 표면 전체에 균일한 막을 형성해야 할 수 있다.

이 때문에 ALD와 같은 정밀 증착 기술의 중요성이 높아지고 있다.

GAA 시대에 증착이 중요한 이유

앞선 글에서 삼성전자와 Intel의 GAA 및 RibbonFET 기술을 살펴봤다.

GAA는 Gate-All-Around의 약자다.

기존 FinFET보다 게이트가 채널을 더 효과적으로 둘러싸는 구조다.

이러한 구조에서는 여러 층의 재료를 매우 정밀하게 형성해야 한다.

따라서 증착 기술의 중요성이 커진다.

특히 원자 수준의 두께 제어와 균일성이 중요해질 수 있다.

결국 트랜지스터 구조가 복잡해질수록,

설계기술

뿐 아니라

증착장비와 공정기술

도 함께 발전해야 한다.

이것이 Applied Materials와 같은 장비기업이 차세대 반도체에서 중요한 이유다.

식각은 무엇일까?

증착이 웨이퍼에 물질을 쌓는 과정이라면,

식각(Etch)은 필요한 부분을 남기고 불필요한 부분을 제거하는 공정이다.

쉽게 설명하면,

증착 = 쌓기

식각 = 깎기

라고 생각하면 된다.

웨이퍼 위에 막을 형성한 뒤 특정 부분을 제거하면서 원하는 회로 구조를 만들어간다.

식각은 반도체 제조에서 매우 중요한 공정이며, 미세화가 진행될수록 더욱 정밀한 제어가 필요하다.

왜 식각이 점점 어려워질까?

반도체 구조가 미세해지고 3차원으로 복잡해질수록 식각의 난이도가 높아진다.

예를 들어 수직으로 깊은 구조를 만들어야 하는 3D NAND에서는 매우 깊고 좁은 구조를 균일하게 식각해야 한다.

식각이 너무 많이 진행되면 안 되고,

반대로 부족해도 안 된다.

또한 웨이퍼 전체에서 균일한 결과를 얻어야 한다.

따라서 식각 장비에는 높은 정밀도와 공정 제어 능력이 요구된다.

이 분야에서는 Applied Materials뿐 아니라 Lam Research와 같은 기업도 중요한 경쟁자다.

CMP는 무엇일까?

반도체 제조에서 또 하나 중요한 기술이 CMP(Chemical Mechanical Planarization)다.

CMP는 웨이퍼 표면을 평탄하게 만드는 공정이다.

반도체 제조과정에서 여러 층의 물질을 쌓고 제거하다 보면 표면에 미세한 높낮이 차이가 생길 수 있다.

이 상태로 다음 공정을 진행하면 문제가 발생할 수 있다.

따라서 표면을 다시 평평하게 만들어야 한다.

쉽게 비유하면,

벽을 여러 번 덧칠한 뒤

표면을 고르게 다듬어

다음 작업을 할 수 있도록 만드는 것과 비슷하다.

CMP는 단순한 연마가 아니라 화학적 반응과 기계적 연마를 동시에 이용해 정밀하게 표면을 평탄화한다.

CMP가 왜 중요한가?

반도체가 미세해질수록 표면의 작은 차이도 다음 공정에 영향을 줄 수 있다.

특히 여러 층을 쌓는 3D 구조에서는 평탄화가 매우 중요하다.

따라서 CMP는 단순히 웨이퍼를 깨끗하게 만드는 작업이 아니라,

다음 반도체 공정을 정확하게 진행하기 위한 기반을 만드는 공정

이라고 볼 수 있다.

Applied Materials는 CMP 관련 장비와 기술에서도 중요한 위치를 가지고 있다.

HBM에서도 장비기술이 중요하다

앞선 12강에서는 Micron과 HBM을 살펴봤다.

HBM은 여러 개의 메모리 다이를 수직으로 쌓는 구조를 사용한다.

여기서 중요한 것이 바로 적층과 정밀한 공정이다.

HBM에서는 다음과 같은 기술이 필요하다.

• DRAM 제조
• 미세공정
• TSV
• 웨이퍼 가공
• 박막 증착
• 식각
• 연마
• 패키징
• 검사

특히 HBM의 성능과 수율을 높이기 위해서는 각 공정을 매우 정밀하게 관리해야 한다.

따라서 AI 반도체가 성장할수록 메모리 기업뿐 아니라 반도체 제조장비 기업의 중요성도 함께 높아질 수 있다.

3D NAND에서도 증착과 식각이 핵심이다

3D NAND는 메모리 셀을 수직 방향으로 쌓아 올리는 기술이다.

과거 NAND가 평면 방향으로 발전했다면,

3D NAND는 수직으로 층을 늘리는 방식으로 발전해 왔다.

층수가 증가할수록 제조 난이도도 높아진다.

수십 개에서 수백 개에 이르는 층을 형성하려면 매우 정밀한 증착과 식각이 필요하다.

특히 깊고 좁은 구조를 균일하게 만들어야 하기 때문에 장비의 성능이 중요하다.

이 때문에 Applied Materials와 Lam Research, Tokyo Electron 같은 장비기업들이 3D NAND 제조기술 발전에 중요한 역할을 한다.

Applied Materials와 ASML은 무엇이 다를까?

반도체 장비기업을 공부하다 보면 ASML과 Applied Materials를 혼동하기 쉽다.

두 회사 모두 반도체 제조에서 매우 중요하지만 주력 분야가 다르다.

ASML

ASML은 대표적인 노광장비 기업이다.

특히 EUV 노광장비 분야에서 독보적인 기술력을 가지고 있다.

Applied Materials

Applied Materials는 증착, 식각, 이온주입, CMP, 검사·계측 등 다양한 제조공정 장비를 공급한다.

쉽게 비유하면,

ASML

→ 회로 패턴을 웨이퍼에 형성하는 핵심 노광장비

Applied Materials

→ 웨이퍼에 물질을 쌓고 제거하고 가공하는 다양한 공정장비

라고 이해하면 된다.

실제 반도체 제조에서는 여러 기업의 장비가 서로 연결되어 하나의 생산라인을 구성한다.

Applied Materials와 Lam Research의 차이

Applied Materials와 Lam Research는 모두 미국의 대표적인 반도체 장비기업이다.

두 회사 모두 식각과 증착 등 여러 공정에서 경쟁하거나 인접한 기술 영역을 가지고 있다.

하지만 각각의 제품 포트폴리오와 강점에는 차이가 있다.

간단하게 정리하면,

기업	주요 분야	특징
Applied Materials	증착·식각·CMP·이온주입·계측 등	폭넓은 공정 포트폴리오
Lam Research	식각·증착·세정 등	식각과 웨이퍼 가공 분야 강점
ASML	노광	EUV 노광 분야 독보적
Tokyo Electron	증착·식각·코팅·세정 등	다양한 전공정 장비

이처럼 반도체 장비 시장은 한 기업이 모든 장비를 독점하는 구조가 아니다.

각 공정에서 기술력이 높은 여러 기업이 경쟁하고 있다.

Applied Materials의 기술적 진입장벽

반도체 장비산업은 일반적인 제조업과 상당히 다르다.

장비 하나를 만든다고 바로 반도체 기업이 사용할 수 있는 것이 아니다.

고객사의 생산라인에서 실제로 안정적인 결과가 나와야 한다.

특히 반도체 공정에서는,

장비 성능

수율

공정 안정성

이 매우 중요하다.

한 번 생산라인에 장비가 들어가면 고객사가 쉽게 장비를 교체하지 않는 경우도 있다.

새로운 장비를 도입하려면 공정을 다시 최적화하고 검증해야 하기 때문이다.

따라서 오랜 기간 축적된 공정 데이터와 고객사와의 협력 경험이 중요한 진입장벽이 된다.

특허보다 중요한 것은 ‘공정 노하우’다

Applied Materials와 같은 기업을 평가할 때 특허 숫자만 보는 것은 충분하지 않다.

반도체 장비에서는 특허뿐 아니라,

• 장비 설계
• 플라즈마 제어
• 진공 기술
• 재료 공학
• 온도 제어
• 공정 데이터
• 장비 신뢰성
• 고객사별 공정 최적화

등이 모두 중요하다.

특히 고객사의 공정에 맞춰 장비를 최적화하는 경험은 오랜 시간에 걸쳐 축적된다.

따라서 Applied Materials의 경쟁력은 특허 + 장비 설계 + 공정 데이터 + 고객 관계가 결합된 형태라고 볼 수 있다.

AI 반도체가 Applied Materials에 중요한 이유

AI 산업이 성장하면 NVIDIA나 AMD의 GPU 수요만 증가하는 것이 아니다.

AI 서버에 필요한 메모리와 네트워크 반도체도 증가한다.

결국 더 많은 반도체를 생산해야 한다.

반도체 생산량이 증가하면 제조장비에 대한 투자도 필요해질 수 있다.

특히 AI 반도체는 첨단 공정을 사용하는 경우가 많기 때문에 고성능 제조장비가 필요하다.

따라서 AI 산업의 성장은 간접적으로 다음과 같은 기업에 영향을 줄 수 있다.

NVIDIA

→ AI 가속기 수요

↓

TSMC

→ 첨단 반도체 생산

↓

Applied Materials

→ 반도체 제조장비

↓

SK하이닉스·Micron·삼성전자

→ HBM 생산

이처럼 반도체 산업은 하나의 거대한 연결망이다.

반도체 장비기업의 가장 큰 장점은 ‘삽을 파는 기업’이라는 점이다

반도체 산업을 바라볼 때 재미있는 투자 관점이 하나 있다.

반도체를 만드는 기업이 특정 제품에서 경쟁할 때,

그 반도체를 만들기 위해 필요한 장비를 공급하는 기업은 여러 반도체 제조사의 투자에서 기회를 얻을 수 있다.

예를 들어 삼성전자와 SK하이닉스, Micron이 모두 첨단 DRAM과 HBM 생산을 확대한다면 관련 제조장비 수요가 증가할 수 있다.

따라서 장비기업은 특정 반도체 제품의 승패보다 반도체 제조업체들의 설비투자 사이클과 연결되는 특징이 있다.

물론 장비기업 역시 반도체 업황과 고객사의 투자계획에 큰 영향을 받는다.

Applied Materials의 미래 성장 분야

앞으로 Applied Materials가 주목받을 수 있는 분야를 정리하면 다음과 같다.

GAA 트랜지스터

차세대 트랜지스터 구조가 확대될수록 정밀한 증착과 식각 기술이 중요해진다.

HBM

AI 반도체 수요가 증가하면서 HBM 생산과 관련된 제조공정의 중요성이 높아지고 있다.

3D NAND

수직 적층수가 증가하면서 증착과 식각 난도가 높아지고 있다.

첨단 패키징

Chiplet과 HBM이 확대되면서 패키징 관련 제조공정의 중요성이 커지고 있다.

차세대 로직 반도체

2nm 이하 세대의 첨단 로직 반도체가 발전하면서 새로운 재료와 공정 기술이 필요해질 수 있다.

Applied Materials가 해결해야 할 과제

물론 Applied Materials에도 위험요소는 존재한다.

첫 번째는 반도체 설비투자의 변동성이다.

메모리 가격과 수요가 악화되면 반도체 기업들이 설비투자를 줄일 수 있다.

두 번째는 경쟁이다.

Lam Research와 Tokyo Electron 등 강력한 경쟁기업이 존재한다.

세 번째는 기술 변화다.

새로운 트랜지스터 구조와 패키징 기술이 등장하면 기존 장비의 역할이 달라질 수 있다.

네 번째는 고객 집중도다.

대형 반도체 제조사의 투자 계획에 따라 장비기업의 실적도 영향을 받을 수 있다.

따라서 장비기업은 기술력을 계속 발전시키면서 새로운 공정과 고객을 확보해야 한다.

마무리 – 반도체의 미래는 장비에서 시작된다

Applied Materials를 살펴보면 반도체 산업을 보는 관점이 달라진다.

우리는 보통 삼성전자나 SK하이닉스가 어떤 반도체를 만드는지, NVIDIA의 GPU가 얼마나 빠른지를 먼저 생각한다.

하지만 그 반도체가 실제로 만들어지려면 수많은 제조공정과 장비가 필요하다.

웨이퍼 위에 물질을 증착하고,

필요 없는 부분을 식각하고,

표면을 평탄화하고,

미세한 구조를 반복적으로 형성한다.

이 과정에서 Applied Materials와 같은 장비기업의 기술이 사용된다.

특히 반도체가 3차원 구조로 발전할수록 장비의 중요성은 더욱 커지고 있다.

GAA 트랜지스터에서는 정밀한 증착과 식각이 필요하고,

3D NAND에서는 깊은 수직 구조를 형성해야 하며,

HBM에서는 미세한 메모리와 적층·패키징 기술이 중요하다.

결국 반도체 산업의 경쟁은,

누가 더 좋은 칩을 설계하는가?

에서 끝나지 않는다.

누가 더 정밀하게 그 칩을 만들 수 있는가?

그리고,

누가 그 제조공정을 가능하게 하는 장비를 제공하는가?

까지 이어진다.

Applied Materials는 바로 이 마지막 영역에서 중요한 역할을 한다.

특히 AI 반도체와 HBM, GAA, 3D NAND, 첨단 패키징이 성장할수록 반도체 제조공정의 난이도는 더욱 높아질 가능성이 있다.

그리고 제조공정이 복잡해질수록 장비기업의 기술력과 공정 노하우가 더욱 중요해질 수 있다.

Applied Materials를 한 문장으로 정리하면 다음과 같다.

Applied Materials는 반도체를 직접 만드는 기업은 아니지만, 세계 반도체 기업들이 더 작고 복잡한 반도체를 만들 수 있도록 제조공정의 핵심 장비와 기술을 제공하는 기업이다.

앞으로 반도체 산업을 분석할 때는 삼성전자·SK하이닉스·NVIDIA 같은 완제품 또는 설계기업뿐 아니라 그 기업들이 반도체를 만들기 위해 반드시 필요한 장비기업까지 함께 살펴볼 필요가 있다.

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핵심 정리

• Applied Materials는 미국의 대표적인 반도체 제조장비 기업이다.
• 반도체를 직접 생산하기보다 반도체 제조에 필요한 장비와 공정 기술을 공급한다.
• 주요 기술 분야에는 증착, 식각, CMP, 이온주입, 계측·검사 등이 있다.
• 증착은 웨이퍼 위에 매우 얇은 물질층을 형성하는 공정이다.
• PVD와 CVD는 대표적인 증착 방식이다.
• ALD는 원자층 단위로 매우 얇은 막을 형성할 수 있는 정밀 증착 기술이다.
• 식각은 웨이퍼에서 불필요한 물질을 제거해 원하는 구조를 만드는 공정이다.
• CMP는 웨이퍼 표면을 평탄하게 만들어 다음 공정의 정확도를 높이는 역할을 한다.
• GAA와 3D NAND처럼 반도체 구조가 복잡해질수록 증착과 식각 장비의 중요성이 높아진다.
• HBM 생산에서도 정밀한 제조공정과 패키징 기술이 중요하다.
• ASML은 노광장비에 강점을 가지고 있으며 Applied Materials는 다양한 전공정 장비 분야에서 경쟁력을 가지고 있다.
• Lam Research와 Tokyo Electron 역시 Applied Materials의 중요한 경쟁기업이다.
• Applied Materials의 진입장벽은 특허뿐 아니라 장비 설계, 공정 데이터, 수율, 고객사와의 장기간 협력 경험에 있다.
• AI 반도체와 HBM 시장이 성장하면 관련 제조장비 투자도 증가할 가능성이 있다.
• Applied Materials의 핵심 경쟁력은 증착·식각·CMP 등 다양한 공정을 아우르는 폭넓은 장비 포트폴리오다.