SPECIAL ISSUE 01

창의와 도전을 통한 반도체 검사장비 국산화 선도


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▲ 길성재 차장 (주)유니테스트


메모리 반도체 시장 및 장비의 특징

메모리 반도체(DRAM, Flash Memory) 시장은 지난 17년간 꾸준한 증가세를 보이고 있으며 2017년 시장 규모는 2001년 대비하여 약 3배, 2021년에는 약 4배의 성장도 가능할 것으로 보인다.
 
4~5년마다 시장 규모가 축소되는 반도체 사이클 없이 메모리 반도체는 슈퍼 사이클에 진입하여 향후에도 약 4~5년간 더 지속적인 성장을 할 것으로 예상하고 있다.

이는 스마트폰 시장의 성장을 시작으로 연이어 사물인터넷, 무인자동차, 빅데이터, 가상현실 및 4차 산업혁명이 견인차 역할을 하고 있는 것으로 판단된다.


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이에 국내 메모리 반도체 제조업체들의 실적도 올해 1분기 기준으로 삼성전자는 매출 15조 원 및 영업이익 6조 원, SK하이닉스는 매출 6조 원 및 영업이익 2조 원으로 이익률이 39% 수준에 이른다.

또한 삼성전자의 평택 공장(Nand Flash Memory) 투자 및 SK하이닉스의 추가 라인 증설, 10나노급 미세 공정으로 전환한 신규 DRAM 메모리 출시 등으로 지속적인 성장 기반을 다지고 있다.

메모리 반도체는 전반적으로 메모리 읽기/쓰기 속도의 증가 및 데이터 저장용량의 증가라는 두 개의 축으로 발전하고 있다.

DRAM의 경우는 읽기/쓰기 속도의 증가를 중심으로 발전하고 있으며 금년 중에 DDR4 대비 두 배 빠른 DDR5 제품이 출시되어 시제품으로 나올 예정이다.

Flash Memory의 경우는 데이터 저장용량의 증가를 위해 3D NAND제품이 출시되고 있으며 현재는 약 48단의 제품이 생산되고 있고 향후에는 64단, 78단의 제품이 출시될 예정이다.

이에 따라 메모리 반도체 검사장비도 속도의 증가, 대용량 데이터 처리능력 향상, 불량 검출능력의 신장 등의 방향으로 성능이 향상돼야 한다.

이러한 High End 급의 반도체 검사 장비는 아직 미국 및 일본의 선진 장비에 대부분의 시장이 점유되어 있는 상태이며 공정비용을 절감하기 위한 노력에 걸림돌이 되고 있는 실정이다.


반도체 검사 장비의 특징

반도체 검사 장비는 반도체 제조 전 공정 및 후 공정에서 반도체의 전기적인 기능을 검사하는 장비라고 할 수 있다.

이는 기본적으로 반도체가 동작하는 시나리오대로 신호를 가하고 예상 동작 시나리오대로 작동하는지를 반도체로부터 나오는 신호(Signal)를 캡처(Capture)하고 분석 및 검사하는 것을 말하며 목적은 생산된 반도체의 불량을 판단하는 데 있다.

기본적인 분류로는 검사되는 반도체 디바이스의 종류에 따라 맞춤 형태로 제작되는 장비들이 있으며 이는 Logic, Mixed Signal, RF, PMIC, CIS, Sensors 검사 장비 및 메모리 검사 장비로 말할 수 있다.

또한 공정별로 분류하면 제조된 웨이퍼를 검사하는 웨이퍼 검사 장비(전 공정), 웨이퍼 이후 패키지 된 제품을 검사하는 패키지 검사 장비(후 공정)로 나눌 수 있다.
 
웨이퍼 및 패키지 검사 장비는 ATE(Automated Test Equipment)와 Burn-in Tester로 구분하여 설명할 수 있으며, 유니테스트가 강점을 갖고 최근 큰 매출을 일으킨 장비는 Burn-in Tester 장비이다.


메모리 검사 장비

메모리 검사 장비는 DRAM(DDR, LPDDR, Graphic DRAM), Flash Memory(NAND, NOR), eMMC(Controller + Flash memory), eMCP(eMMC + LPDDR) 등 메모리 반도체의 성능을 검사하는 장비로 웨이퍼 테스트, 패키지 테스트, Burn-in 테스트 공정에서 사용되는 장비를 말한다.

메모리에 집중된 국내 반도체 산업 구조의 특성상 테스터의 수요가 크고 신규 개발 프로젝트에 대·중소기업 간 협력이 잘 이뤄져 다른 공정 장비에 비해서 국산화가 많이 진행되어 있는 상태이다.


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그래도 아직 High End 급의 고성능 장비에 있어서는 외산 장비에 대한 의존도가 높고 일정 수준 이상의 국산화가 이루어지지 않고 정체되어 있다.

이는 기술력의 한계에 기인하며, 디바이스의 진화가 빠르고 고속, 대용량의 제품이 지속적으로 출시되고 있는 상황에서 기반 기술 없이 외산 장비의 출시 속도를 따라가기 매우 어려운 상황에 있기 때문이다.


협력으로 혁신을 찾다

반도체 검사 장비는 반도체 제품 품질의 기준이 되고 생산수율에 직접적으로 관여하므로 그 적용과 운용방식은 매우 보수적인 성향을 띠며 공정의 변화나 새로운 장비의 적용이 매우 어렵다.

검사 장비의 문제는 제품 품질에 직접적인 타격을 줄 수 있고 곧 고객에게 손해를 끼치는 결과를 초래할 수 있으며 오랜 기간동안 어렵게 쌓아온 제품 및 기업에 대한 브랜드 가치, 신뢰성에 악영향을 주는 직격탄이 될 수 있기 때문이다.

이러한 이유로 반도체 제조업체들은 수십 년간 검사 장비 분야에서 기술력을 쌓아온 외산 장비 업체들의 제품에 의존하는 성향을 보이는 것이 당연하다고 할 수 있다.

하지만 지속적인 반도체 제품 단가 하락에 대한 압박 및 공정비용의 절감을 위해서 검사비용의 축소를 추구하고 제품의 품질은 유지해야 하는 딜레마에 빠질 수 있다.

이러한 환경에서 유니테스트는 고객사와 함께 공정비용 절감과 제품 품질의 유지(검사 신뢰도의 유지)의 두 마리 토끼를 한 번에 잡는 것에 대한 고민을 충분히 공유해 왔고 단순하게 외산 장비 대비 저렴한 장비의 개발을 통한 해묵은 국산화 전략을 벗어나기로 하였다.

유니테스트를 포함한 국내 장비 업체들이 행하였던 기존의 장비 국산화 전략은 주로 공정 프로세스는 그대로 유지하고 사용 중인 외산 장비에서 핵심적으로 필요한 성능만을 골라 최소한으로 구현하여 상대적으로 저렴한 장비를 개발하여 공정비용을 절감하고 외산 장비를 대체하는 방식이었다.

하지만 앞서 언급한 대로 메모리 디바이스는 점점 빠르게 진화하고 있어 이러한 방식의 전략은 더 이상 효율적인 방법이 될 수가 없다.

이에 유니테스트는 전반적인 공정의 변화 및 품질 보증 부분에서 다른 접근이 필요하다고 판단하였다.

일반적인 프로세스 대비 유니테스트의 강점인 High Speed Burn-in Tester 기술을 활용한다면 약 5개의 검사 장비 프로세스를 1개의 장비에서 1 Step으로 모두 진행할 수 있다는 혁신적인 아이디어를 그림 3과 같이 고객사에 제안하였고 제품 품질의 안정성 리스크 및 수율 저하 등 위험요소가 존재하였지만 성공하였을 경우 획기적인 비용 절감이 가능했으므로 개발 프로젝트가 진행되었다.


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그림 3에서 윗부분이 기존의 검사 프로세스이고 아랫부분이 공정이 합쳐진 새로운 공정 흐름을 나타낸다.

각 공정 단계별로 사용되는 장비는 공정별로 표기해 두었으며 일반적인 Test Speed를 추가로 언급하였다.

공정 변화 이전의 각 단계를 살펴보면 웨이퍼 제작 후 Burn-in, Read/Write 테스트와 Fail 발생시 Repair를 하고 최종 테스트를 거친다.

이후 Good Die만을 골라 Package 공정을 진행하고 다시 Burn-in(고온에서의 가속 테스트)를 거치고 기본 기능인 Read/Write를 고온/저온에서 다시 검증한 다음 High Speed Performance를 검사하여 Package 테스트 공정을 마치게 된다.

이후에 단품인 경우 바로 출하를 하고 Module화 될 경우에는 Module 테스트 공정을 한 번 더 진행하게 된다.

문제는 이러한 각 여러 검사 공정 단계에서 각각 다른 회사의 다른 형태의 장비를 사용해야 하는 것이며 각 공정별 이동에 많은 인력이 장비 간 반도체 제품을 이동시키면서 검사를 진행해야 하므로 단계를 거칠 때마다 각 Device의 이력을 이종의 장비 간에 공통의 포맷으로 별도로 관리하여야 하는 매우 복잡하고 번거로운 작업이 필요하게 된다.

또한 여러 종류의 장비를 유지 보수하는 데 어려움이 발생하고 하나의 공정장비가 문제가 생길 경우 전체 라인이 멈추어야 하는 단점도 내재되어 있다.

이러한 기본 Standard 검사 공정은 지난 20여 년간 반도체 제품의 품질을 보증하는 방식으로 굳어져 왔다.

하지만 이러한 방식을 유지한 상태에서 공정비용을 절감하는 데는 이미 한계점에 도달하여 공정을 최대한 합치는 방식으로 공정의 변화를 꾀하게 된 것이다.


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유니테스트가 개발한 High Speed Burn-in Tester 장비는 약 400Mbps 급으로 검사공정을 진행할 수 있으며 이는 Burn-in Tester에서는 가장 높은 speed를 갖는 장비이다.

이는 유니테스트가 약 6~7년 전부터 개발을 진행하여 보유한 특허기술에 기반을 하고 있으며 현재까지도 전 세계에서 가장 빠른 Speed를 자랑하는 장비로 매김하고 있다.

High Speed Burnin Tester 장비로 인해 웨이퍼 테스트 공정에서 수행하던 Read/Write 테스트 및 Repair 공정을 Package Burn-in 공정으로 합칠 수 있으며, Package 공정에서도 상대적으로 High Speed 공정이었던 Read/Write @ Hot/Cold 공정을 Burn-in 장비로 통합할 수 있게 되었다.

약 5개의 별도 다른 장비를 사용하는 검사공정을 하나의 장비로 통합함으로써 공정 이동비용의 절감, 각종 이력 관리에 따른 비용 절감, 수율의 상승, 검사공정 시간의 단축, 품질 향상 등의 효과를 내고 있으며 장비 투자비 대비 비용 절감의 효과가 매우 커서 장비 투자 및 생산 시작 이후 단기간에 투자비를 회수하고 이익을 남기는 결과를 내고 있다.

또한 일반적인 DRAM Tester(ATE)의 경우 한번에 512~640개의 제품을 동시에 검사하는 것이 가능하지만, 유니테스트의 Burn-in Tester 장비의 경우는 최대 6,144개의 제품을 동시에 검사할 수 있어 일반 ATE의 10대 수준의 생산량을 자랑하며, 공정 통합을 통해 이러한 외산 ATE 장비를 일부 대체할 수 있는 효과도 있다.

이러한 장비의 장점으로 지난 2년간 150여 대를 납품하여 국내외 고객사의 양산에 기여하고 있으며 연간 매출액 1천억 원이 넘는 회사로 성장할 수 있게끔 하는 원동력이 되었다.


새로운 아이디어 중심의 내부 개발 혁신 구조

이러한 혁신적인 제품개발이 가능한 것은 약 150여건이 넘는 특허가 보여주듯 개발 부서의 기술혁신을 위한 노력을 강조하는 문화가 회사에 내재되어 있기 때문이다.

많은 경우에 장비의 특성 구현이 어렵거나 원가가 높게 소요되기 때문에 이를 극복하기 위한 아이디어를 수집하고 구현하며 특허화 하는 체계가 잘 잡혀 있다.

또한 이러한 특허 진행에 따른 인센티브(보상) 지급 시스템이 갖추어져 있으며 출원 및 등록이 될 경우 별도의 수당이 지급되고 있어 개발 인력들의 특허 출원 및 등록을 고무하고 있다.

또한 전담 특허 인력의 배치 및 외주 특허 사무소와의 긴밀한 협조를 통해 개발자들의 아이디어를 특허 자산화 하는 데 필요한 다양한 문서화 및 부가 작업을 최소화하여 개발 업무에 전념할 수 있도록 전폭적으로 지원하고 있다.


시장 및 기술 변화 중심의 제품 및 개발 기획 프로세스

일반적인 반도체 장비, 특히 공정 장비의 경우에는 기술 집약적이고 의존도가 높은 제품이 많아 회사가 보유한 핵심 기술 기반에서 제품의 기획이 이루어지는 경우가 많다.
 
이 때문에 시장에서 원하는 제품 혹은 고객의 수요와 맞지 않는 제품으로 기획되어 시기를 놓치거나 경쟁사와 대비하여 차별화를 두지 못하여 사장될 가능성이 높아진다.

유니테스트는 제품의 기획 단계에서부터 TTM(Time To Market)을 기반으로 하는 정확한 Pinpoint Target을 설정하고 실현 가능성을 확인하는 Feasibility 측정을 수행하고 있다.
 
그림 5와 같이 전체 프로세스를 두 단계로 나눌 수 있으며 첫 번째는 Target 시장의 선정과 그에 따른 정보 수집의 단계이며 이를 통해 개발되어야 하는 제품의 핵심 기능 설정 및 경쟁 Point 도출, TTM의 설정 등이 이뤄진다.


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이러한 정보는 제품 표준화 기관(JEDEC, SNIA 등) 및 영업/마케팅 조직을 통해 얻어지는 고객사/시장의 변화, Trend의 수집을 통해서 이뤄진다.

두 번째는 정해진 Target 장비를 구현하기 위한 기술 Feasibility 분석이며 내부 혹은 외주 용역기관을 활용하여 장비의 Specification을 잡고 Resource Assign을 진행한다.

개발 제품을 구성하는 데 있어서 원가 측면의 검토가 동시에 이뤄지고 있으며 원가가 높은 장비의 경우에는 1, 2차 개발 Step 설정을 통해 수익의 극대화 및 판매 가격의 경쟁력 확보를 기획 단계에서부터 고려하고 있다.

이러한 개발기획 프로세스는 고객사의 Needs를 기반으로 Solution 도출에 있어서 각 미세한 부분에 차별화 Point를 구성할 수 있도록 세밀하게 조율된다.

또한 마케팅, 개발기획, 개발실, 영업, 구매의 상이한 부서들의 유기적인 협력을 이끌어 내기 위한 TFT의 구성 등 유연한 조직의 운영방식을 갖고 있다.

이러한 기획 프로세스를 거쳐 제작된 장비가 유니테스트의 스토리지 테스터 계열의 제품들이다.

고객사의 Needs 및 Storage 시장의 판도, 경쟁사의 제품개발 상황 등을 종합적으로 고려해 기획하여 출시하였으며 지속적인 Feed Back을 통해 제품이 진화, 발전을 거듭하고 있다.


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변화 혁신 도전의 체질화를 통한 미래 시장의 개척

반도체 검사 장비 전체 시장은 VLSI리서치 자료에 따르면 2017년도에 약 40억 달러(4조 4천억 원)를 넘어설 것으로 예측하고 있다.

유니테스트의 매출액이 약 1천억 원에 이르고 있음을 감안한다면 향후 도전할 수 있는 시장이 아직 많이 남아 있다고 할 수 있다.


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유니테스트는 약 십 년 전 회사의 매각 위기까지 갔었던 어려움을 극복해 낸 경험을 갖고 있다.

이 경험을 통해 회사의 생존을 위해서는 기회에 민감하게 반응하고 변화, 혁신, 도전을 체질화하는 것이 유일한 방법이라는 것을 체득하였다.

외부로는 기회를 감지하고 기회를 성과로 도출하는 내부 시스템의 구축과 각 제품별 필요한 요소 기술의 차별화를 위해 오랜 기간 동안 꾸준히 미세한 노력을 쌓아온 결과로 공정의 혁신을 이끌어 내었고 세계 최고 수준의 High Speed Burn-in Test 장비를 출시할 수 있었다.

하지만 유니테스트는 이에 멈추지 않고 NAND Flash Tester 및 System LSI Tester 시장으로의 진출을 진행하고 있다.
 
2017년은 NAND Flash Tester 장비(웨이퍼 Tester, Burn-in Tester)의 출시 원년으로 삼고 있으며 System LSI는 2013년 (주)테스티안을 인수하여 지난 4년간 투자하여 올해부터 실질적인 매출을 일으키는 등 결실을 맺고 있다.

이를 통하여 유니테스트는 통합 반도체 테스트 솔루션 및 장비 공급 업체로 새로운 도약을 꿈꾸고 있다.