반도체 제조 공정은 원자 수준의 정밀도를 달성했습니다. 이러한 정밀도로 반도체 소자를 제조하려면 50개 이상의 분야에서 지식과 기술을 통합해야 합니다. 더욱이, 공정 정밀도는 여러 요소 중 하나일 뿐입니다. 반도체 제조에서 수율은 매우 중요합니다. 따라서 균일성, 안정성, 반복성, 신뢰성 및 청정성 모두 중요합니다. 1,000개 이상의 고도 반도체 공정 단계가 존재하며, 어느 단계라도 문제가 발생하면 제품 성능 및 수율 요구 사항을 충족하는 칩을 제조하기 어렵습니다.

시장조사기관 SEMI의 통계에 따르면, 중국 본토는 2020년 매출이 전년 동기 대비 39% 증가한 187억 2천만 달러를 기록하며 처음으로 세계 최대 반도체 장비 지역 시장으로 등극했습니다. 대만이 171억 5천만 달러로 2위를 차지했고, 한국은 전년 동기 대비 61% 증가한 160억 8천만 달러로 3위, 일본은 75억 8천만 달러로 4위를 기록했습니다. 동아시아는 글로벌 반도체 경쟁의 중심지로 부상했으며, 2020년 총 595억 3천만 달러를 지출하여 전 세계 반도체 장비 총 지출액(71.2억 달러)의 83.6%를 차지했습니다. (참고: 반도체 장비 관련 정보는 백엔드에서 회신해 주시기 바랍니다.)반도체 장비】받다)

지정학적 요인이 반도체 공급망에 미치는 영향이 심화됨에 따라, 2021년에는 각 지역 시장에서 반도체 생산 설비 투자 경쟁이 더욱 치열해질 전망입니다. TSMC와 삼성전자는 모두 2021년 반도체 투자 계획을 30억 달러 이상으로 조정했습니다. 두 회사는 첨단 공정의 양산 진척도를 놓고 치열한 경쟁을 벌이고 있으며, 2022년에는 3나노미터 공정의 양산을 목표로 하고 있습니다. 또한, 미국 정부의 요청에 따라 미국 내 공장 설립도 추진하고 있습니다. 2021년은 반도체 장비 제조업체들에게 또 한 번의 호황을 누릴 것으로 예상됩니다. 그러나 관련 규제로 인해 중국 본토는 고성능 EUV 리소그래피 장비 등의 구매가 어려워지면서 최대 장비 시장 지위를 유지하기 어려울 수도 있습니다.

대만산업기술연구원(이하 대만산업기술연구원)에 따르면, 각 지역 시장은 반도체 산업 발전에 있어 서로 다른 목표를 가지고 있습니다. 세계 최대 반도체 응용 시장인 중국 본토는 공급망 안보 위협에 대응하여 기술 격차를 줄이고, 제조, 장비, 소재 등 핵심 연결 고리에서 타인에게 종속된 현 상황을 개선하고자 합니다. 글로벌 반도체 산업 사슬의 선두 주자인 미국은 중국 본토에 대한 고성능 칩 제조 장비 수출 통제를 강화할 것이며, 최근 몇 년간 감소해 온 미국의 웨이퍼 생산 능력에 대응하기 위한 새로운 정책을 도입할 것입니다. 세계에서 웨이퍼 생산 밀도가 가장 높은 두 지역인 대만과 한국은 웨이퍼 제조 공정 발전 추세를 선도해 나갈 것으로 예상됩니다. 이 두 지역은 강력한 제조 역량을 활용하여 상류 소재 및 장비의 독립성을 강화할 것입니다.

첨단 기술 개발 방향

28나노미터 이후 평면 트랜지스터 공정은 한계에 도달했고, FinFET(핀 트랜지스터)은 무어의 법칙을 이어가며 공정 노드를 현재 10나노미터 이하로 낮췄습니다. 그러나 FinFET 방식 역시 한계에 다다르고 있습니다. 삼성은 3나노미터 공정에서 GAA(게이트 올 어라운드) 구조를 가장 먼저 채택할 예정이며, TSMC는 3나노미터 노드에서 FinFET 구조를 유지한 후 2나노미터 노드에서 GAA 구조를 채택할 계획입니다. 대만 산업기술연구원(ITRI)은 인텔이 웨이퍼 제조에 어려움을 겪고 있다고 분석했습니다. 7나노미터 공정(참고: 세 회사의 공정 크기 정의가 다르므로 직접적인 수치 비교는 적절하지 않음)은 양산이 2023년까지 지연될 수 있습니다. 인텔 역시 5나노미터 노드에서 GAA 아키텍처로 전환할 것으로 예상됩니다.

출처: 대만산업기술연구원

GAA(Gate-All-Around)는 래핑 게이트 기술을 적용한 트랜지스터로, GAAFET라고도 불립니다. 이 개념은 1990년 벨기에 IMEC의 Cor Claeys 박사 연구팀이 발표한 논문에서 처음 제안되었습니다. GAAFET는 3D FinFET의 개선된 버전이라고 할 수 있습니다. 이 기술에서는 트랜지스터 구조가 다시 한번 변경됩니다. 게이트와 드레인이 더 이상 핀 형태가 아니라 게이트를 수직으로 관통하는 "작은 막대" 형태로 바뀌게 됩니다. 이러한 구조를 통해 게이트가 소스와 드레인을 모든 면에서 감쌀 수 있게 됩니다.

출처: 대만산업기술연구원

FinFET과 비교했을 때, 기존의 소스 및 드레인 반도체는 핀(Fin) 형태였지만, 이제 게이트 자체가 핀이 되었습니다. 따라서 GAAFET과 3D FinFET은 구현 원리와 개념 면에서 많은 유사점을 가지고 있어 반도체 제조 시설(fab)에 큰 이점을 제공합니다. 접촉면이 3개에서 4개로, 그리고 여러 개의 4개 접촉면으로 분할되는 등, 게이트의 전류 제어 능력이 더욱 향상되었음을 알 수 있습니다.

FinFET 공정과 비교했을 때, GAA 구조는 더 넓은 게이트 접촉 면적을 가지므로 트랜지스터의 전도 채널 제어 능력이 향상되고 정전 용량과 같은 기생 파라미터가 크게 개선됩니다. 따라서 동작 전압, 누설 전류, 전력 소비 및 동작 온도를 낮출 수 있어 집적화를 가속화하고 무어의 법칙을 지속적으로 실현하는 데 도움이 됩니다.

새로운 구조에 필요한 생산 공정이 핀 트랜지스터와 유사하기 때문에 핵심 공정 단계가 거의 동일하며, 기존 장비와 기술적 성과를 계속 활용할 수 있습니다. TSMC와 삼성에게 있어 이는 의심할 여지 없이 가장 비용 효율적인 기술 대체 솔루션입니다. 그러나 GAA의 공정 정밀도 요구 사항이 더욱 높아짐에 따라 영역 선택적 증착 기술과 원자 수준의 처리 능력이 필요하게 되었습니다. 따라서 재료 공학의 중요성이 커짐에 따라 증착 및 식각 장비에 대한 사업 기회도 더욱 확대될 것입니다.

반도체 프런트엔드 장비 시장은 5대 거대 기업이 장악하고 있다.

2020년 전 세계 반도체 장비 판매량의 80% 이상이 동아시아에 집중될 것으로 예상되지만, 일본을 제외하면 중국(본토 및 대만)과 한국은 장비 산업에서 큰 영향력을 행사하지 못하고 있습니다. 세계 5대 반도체 프런트엔드(웨이퍼 제조, 패키징은 백엔드) 장비 제조업체인 어플라이드 머티리얼즈(AMAT), ASML, Lam, 도쿄전자(TEL), KLA가 시장 점유율 70% 이상을 차지하고 있습니다. 이들 중 도쿄전자만이 동아시아에 본사를 두고 있으며, 나머지는 미국과 유럽 기업들입니다.

출처: 대만산업기술연구원

특히, Applied Materials가 1위를 차지했습니다. 2020년 매출은 17.2억 달러였으며, 이 중 반도체 사업이 약 70%를 차지했습니다. Applied Materials는 PVD(박막 증착) 장비(세계 시장 점유율 38%), CMP(연삭 및 연마) 장비(70%), 에칭 장비(15%), 이온 임플란터(67%) 등 다양한 반도체 장비를 보유하고 있습니다.

ASML은 2020년 매출 139억 8천만 유로로 업계 2위를 차지했습니다. ASML은 리소그래피 장비의 주요 제조업체이며, 현재 세계에서 유일하게 EUV(극자외선) 리소그래피 장비를 공급하는 기업입니다. TSMC, 삼성, 인텔의 첨단 공정 개발 노력 덕분에 ASML은 2020년에 EUV 리소그래피 장비 31대를 판매하여 총 4.5억 유로의 매출을 올렸습니다. 이 31대의 EUV 리소그래피 장비 판매는 ASML 전체 매출의 32%를 차지했습니다. 현재 ASML은 협력사들과 함께 더욱 정교한 리소그래피 공정 기술을 공동 개발하고 있습니다. 예를 들어, 2020년에는 다중 전자빔 검출 및 스캐닝 시스템을 출시하여 전자빔 간 간섭을 2% 미만으로 줄일 예정이며, 이는 5나노미터 이상의 노드 공정에 적합합니다. 또한 ASML은 Lam, imec과 협력하여 EUV 해상도를 향상시키고 포토레지스트 사용량을 줄이기 위한 건식 포토레지스트 기술을 개발하고 있습니다. 또한, 비용 절감을 위해 Lasertec과 협력하여 차세대 EUV 마스크 검사 기술을 개발하고 있으며, TSMC와 협력하여 비용 절감을 위한 차세대 EUV 마스크 세척 기술을 개발하고 있습니다.

도쿄전자의 2020년 장비 매출은 103억 7천만 달러로 세계 3위를 기록했습니다. 도쿄전자는 코팅 및 현상 장비 시장에서 전 세계 시장 점유율 91%를 차지하고 있으며, 그중 EUV 코팅 및 현상 장비가 전체 시장 점유율의 1%를, 에칭 장비가 25%를, 증착 장비가 37%를, 세척 장비가 27%를 차지하고 있습니다. 도쿄전자는 2020년부터 2022년까지 선택적 증착, 스마트 에칭, 초임계 유체 세척 등 기술 분야에 4천억 엔을 연구개발에 투자할 계획입니다.

Lam Semiconductor는 2020년 매출 100억 5천만 달러를 기록하며 세계 4위를 차지했습니다. Lam은 에칭 장비 분야의 세계적인 선두 기업으로, 메모리 제조 사업이 전체 매출의 57%, 로직 기술 사업이 43%를 차지합니다. 상위 5대 장비 제조업체 중 메모리 사업 비중이 50%를 넘는 기업은 Lam Semiconductor가 유일합니다. 앞서 언급했듯이 Lam은 ASML과 함께 imec과 EUV 건식 포토레지스트 기술 개발을 위해 협력하고 있습니다.

케레이 반도체는 2020년 매출 58억 1천만 달러를 기록하며 세계 5위를 차지했습니다. 웨이퍼 검사 장비 분야에서 50% 이상의 시장 점유율을 자랑하는 세계적인 선두 기업입니다. 또한, 응력 변형 측정 및 다중 빔 검사 분야에서 5나노미터 미만 구조의 결함을 측정하는 전자빔 기술 개발에도 투자하고 있습니다.

출처: 대만산업기술연구원

대만산업연구원의 추산에 따르면, 세계 주요 반도체 장비 시장은 향후 몇 년간 매우 견조한 성장세를 보일 것으로 예상됩니다. 심자외선(DUV) 리소그래피 장비를 제외한 모든 장비에서 긍정적인 성장세가 나타날 것으로 전망됩니다. 그중 원자층 증착(ALD) 장비는 2020년부터 2025년까지 연평균 26.3%의 가장 높은 성장률을 기록할 것으로 예상됩니다. 극자외선(EUV) 장비는 연평균 두 자릿수 성장률로 두 번째로 높은 성장률을 보일 것으로 전망됩니다. EUV 장비는 매출액 기준으로 1위를 차지하고 있으며, 2025년에는 125억 5천만 달러에 달해 에칭 장비를 제치고 반도체 장비 부문에서 가장 높은 매출을 기록할 것으로 예상됩니다.

출처: 대만산업기술연구원

중국 장비 제조업체들은 갈 길이 멀다

국제 제조업체들과 비교했을 때, 중국 장비 제조업체들은 판매 규모와 기술력 면에서 큰 격차를 보이고 있습니다. 전자특수장비산업협회 자료에 따르면, 2019년 국내 반도체 장비 판매액은 161억 8,200만 위안으로, 상위 5대 업체인 커레이(Kelei)의 2019년 매출(4.6억 달러)의 절반 수준에 불과했습니다. 협회는 2020년 10월 국내 반도체 장비 판매액이 21.3억 위안에 이를 것으로 추산했지만, 이 역시 커레이 매출(5.8억 달러)의 60%에도 미치지 못할 것으로 전망했습니다.

국내외 주요 반도체 장비 기업 비교 (2021년 1월 6일 기준)

출처: 데폰증권

엄밀히 말하면, 우리나라의 반도체 장비는 아직 첨단 공정(3나노미터 이하) 연구 개발 단계에 진입하지 못했고, 28나노미터와 같은 준주류 공정의 국가 생산을 지원할 여력도 없습니다. 대부분의 국내 장비 제조업체의 상용 제품은 여전히 ​​성숙 단계에 접어든 공정 생산 라인에 기반하고 있습니다. 사회적으로 큰 관심을 받고 있는 리소그래피 장비를 예로 들면, 국내에서는 주로 상하이 마이크로일렉트로닉스 장비 유한회사(이하 "상하이 마이크로일렉트로닉스")가 대표적입니다. 상하이 마이크로일렉트로닉스의 주력 제품은 90나노미터, 110나노미터 등의 리소그래피 공정 요구 사항만 충족할 수 있습니다.

하지만 이미 첨단 기술 경쟁에 참여한 분야도 있습니다. 예를 들어, 차이나마이크로세미드(CMS)는 TSMC로부터 CCP 에칭 분야에서 인정받아 7nm/5nm 생산 라인에 진입했고, 북화창(Northern Huachuang)은 ICP 에칭 장비 분야에서 상대적으로 뛰어난 성과를 거두었으며, 28nm 이상의 에칭 장비를 상용화했습니다. 첨단 공정 측면에서는 실리콘 에칭 장비가 14nm 기술을 돌파하여 상하이 집적회로 연구개발센터에 도입되었습니다.

'중국 제조 2025' 목표에 따르면, 반도체 핵심 기본 부품 및 주요 기본 소재는 2020년까지 40%의 국산화율을, 2025년까지 70%의 국산화율을 달성해야 합니다. 그러나 양쯔 메모리, 화리 마이크로일렉트로닉스 등 국내 웨이퍼 제조업체 10곳의 2017년부터 2021년 1분기까지의 공개 입찰 정보를 살펴보면, 국산화율은 목표치에 한참 못 미치고 ​​있습니다. 2017년부터 2019년까지 이들 10개 업체는 총 4,197대의 장비 입찰에 참여했으며, 그중 431대가 중국산으로 약 10.3%의 국산화율을 기록했습니다. 2020년부터 2021년 1분기까지는 이들 업체가 총 1,862대의 장비 입찰에 참여했고, 그중 315대가 중국산이었습니다. 현재 현지화율은 17%로 추산되며, 이는 2017년에서 2019년 사이 6%포인트 이상 증가한 수치입니다.

왼쪽: 2017년부터 2019년까지 상위 10개 웨이퍼 제조 장비의 현지화율

오른쪽: 2020-2021년 1분기 상위 10개 웨이퍼 제조 공장의 장비 현지화율

출처: 데폰증권

하지만 최근 몇 년간 국내 반도체 장비 분야에서도 매우 긍정적인 변화가 나타나고 있습니다. 기술적인 측면에서 중국 마이크로 반도체(China Micro Semiconductor), 북방화창(Northern Huachuang), 이탕 반도체(Yitang Semiconductor)를 비롯한 기업들은 에칭, 증착, 건식 박리, 세척, 이온 주입 분야에서 이미 세계 최고 수준의 제조업체들과 어깨를 나란히 하고 있습니다. 시장 점유율 측면에서도 일부 제품은 20%를 넘어섰으며, 이는 국제 반도체 장비 제조업체들의 시장 지위에 상당한 영향을 미치고 있습니다.

상위 10개 웨이퍼 제조 업체가 공개한 입찰 정보를 살펴보면, 2017년부터 2021년 1분기까지 건식 탈검 장비의 국산화율은 45.5%에 달했으며, 세척 장비(30.6%), 에칭 장비(22.2%), 연마 장비(21.6%)의 국산화율은 모두 20%를 넘었고, 퍼니스 튜브 장비(14.7%)와 접착제 현상 장비(10.0%) 역시 10%를 넘었습니다. 증착 장비(8.5%)와 프런트엔드 테스트 장비(5.2%)의 국산화율은 5%에서 10% 사이로 상대적으로 낮았습니다. 가장 큰 격차를 보이는 장비는 이온 임플란터(2.4%), 백엔드 테스트 장비(1.9%), 포토리소그래피 장비(1.6%)였습니다.

2020년 이후 국산화율은 더욱 빠르게 증가할 것으로 예상됩니다. 상위 10대 웨이퍼 제조 공장의 입찰 개시 데이터를 살펴보면, 2020년 1분기부터 2021년 1분기까지 연마 장비, 에칭 장비, 퍼니스 튜브 장비, 접착 코팅 및 현상 장비의 국산화율은 모두 2017년부터 2019년까지의 국산화율 대비 두 자릿수 이상 증가했습니다.

세계 반도체 장비 산업의 발전 추세를 보면, 반도체 공정이 물리적 한계에 가까워짐에 따라 차세대 장비 개발이 점점 더 어려워지고 있습니다. EUV 리소그래피 장비를 예로 들면, 이 프로젝트는 1990년대 초에 시작되어 전 세계 40여 개국에서 200여 개 연구기관(유럽이 100여 개 기관 이상 참여)이 참여했습니다. 기초 연구, 기술 연구, 시스템 통합에 이르기까지 전체 연구 개발 시스템에 1,000억 위안 이상이 투자되었는데, 이는 지난 10년간 우리나라 장비 산업 총 매출액을 넘어서는 규모입니다.

중국 마이크로일렉트로닉스 반도체(CMS)의 인지야오 회장은 언론과의 인터뷰에서 반도체 제조 기술이 원자 수준의 공정 단계에 진입했다고 밝혔습니다. 이러한 정밀도로 반도체 소자를 제조하려면 50개 이상의 학문 분야의 지식과 기술이 융합되어야 합니다. 그는 플라즈마 에칭 기술로 사람 머리카락 굵기의 1/1000에서 10만분의 1에 해당하는 미세한 구멍을 만들 수 있으며, 구멍 직경의 정확도, 균일성, 반복성은 사람 머리카락 굵기의 수만분의 1에서 10만분의 1 수준에 도달할 수 있다고 설명했습니다. 에칭 장비는 매년 100만조 개 이상의 미세하고 깊은 접촉 구멍을 가공하며, 거의 모든 구멍을 완벽하게 개방해야 합니다.

반도체 장비는 매우 정밀한 공정 처리가 가능해야 할 뿐만 아니라, 균일성, 안정성, 반복성, 신뢰성 및 청결도 또한 매우 중요합니다. 이러한 조건을 충족해야만 웨이퍼 제조의 핵심 요구 사항인 칩 합격률을 달성할 수 있습니다. 허용 가능한 합격률(예: 90%)을 확보하기 위해서는 각 공정 및 제조 단계에서 매우 높은 합격률을 달성해야 합니다. 현재의 첨단 공정 칩은 1,000단계의 공정을 거치기 때문입니다. 각 단계의 합격률이 99.9%라고 하더라도, 1,000단계를 모두 거친 후 최종 합격률은 36.77%에 불과합니다.

현대 지능형 제조의 대표적인 사례이자 글로벌 정보 산업의 근간을 이루는 반도체 제조 분야는 신규 장비 제조업체에게 시행착오를 겪을 기회를 거의 주지 않습니다. 온갖 노력을 기울여 시제품을 개발하더라도 개발 및 생산 장비의 극히 일부만 완성된 상태입니다. 더 어려운 것은 웨이퍼 제조업체를 설득하여 시험 가동을 진행하는 것인데, 이는 합격률과 생산 능력 저하라는 위험을 감수해야 하는 일입니다. 인즈야오(Yin Zhiyao)는 시제품 제작 후 고객이 협조하기로 결정하더라도 웨이퍼 제조업체의 요구 사항을 충족하기 위해서는 최소 80가지의 엄격한 테스트를 통과해야 한다고 말했습니다.

국제 제조업체들의 역사적 발전 경험을 통해 판단하건대, 장비 산업은 시장을 안정시키고 성급한 진출을 삼가야 합니다. 장기적인 연구 개발에 투자하고 기술적 기반을 공고히 해야 합니다. 윤즈야오의 말처럼 반도체 장비는 50여 개 분야의 협업을 필요로 하는데, 이는 마치 폭탄 두 개와 인공위성 하나를 만드는 것만큼이나 어려운 일입니다. "반도체 산업의 핵심 부품 중 하나인 자기부상 분자 펌프를 만들 수 있는 기업은 전 세계에서 두세 곳에 불과합니다. 모든 것은 장기적인 기술 축적을 요구합니다."

세계화 덕분에 반도체 산업은 현재의 규모로 성장했습니다. 그러나 트럼프 행정부 출범 이후 미국은 반도체 산업을 중국에 대한 기술 전쟁의 무기로 활용하면서, 기존에 세계 전자정보 산업이 구축해 온 공급망 상호 신뢰 메커니즘에 심각한 위협을 가했습니다. 세계 최대 전자정보 산업 제조 기지인 중국은 지정학적 요인에 영향을 받지 않는 새로운 반도체 공급망을 구축하는 것이 매우 중요합니다. 특정 기술이 시장에서 실질적인 돌파구를 마련하게 되면(예를 들어 시장 점유율이 20%에 도달하면), 바세나르 협정의 관련 제한 사항들은 더 이상 의미가 없어집니다. 현재 장비의 국산화율을 효과적으로 높일 수 있는지 여부가 세계 전자정보 산업의 건전한 발전을 위한 핵심 요소가 되었습니다. 중국의 웨이퍼 제조 역량의 급속한 확장은 국내 반도체 장비 제조업체들에게 넓은 시장 공간과 시행착오를 겪을 기회를 제공하고 있습니다. 이는 국내 반도체 장비 제조업체들에게 있어 역사적인 절호의 기회입니다.

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