반도체 공정장비 기술동향에 대해서 설명해 보세요.

반도체 공정장비는 반도체 기술경쟁력을 선도하는데 있어서 매우 중요하다. 특히 1) 식각장비, 2) CMP장비, 3) 증착장비, 4) MI기술, 5) 패키징 등에 대한 반도체 공정장비 제작에 대한 기술은 3D메모리 반도체 및 차세대 메모리 소자 양산을 위한 핵심 기술이다. 각각의 기술에 대해 국내외 기술개발 동향을 살펴보면 아래와 같다.

① 식각장비

10nm 이하 반도체 소자, 3D 낸드플래시, GAA(Gate-All-Around) 트랜지스터, MRAM 등의 제조에 필요한 식각 공정의 난이도가 점점 높아지고 있어, 이를 위한 미세패턴 식각 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 정밀 식각을 위한 ALE(Atomic Layer Etch) 기술, 생산성 향상을 위한 새로운 플라즈마 소스 개발, 기존 CCP(Capacitively Coupled Plasma)와 ICP(Inductively Coupled Plasma) 기반 기술을 결합한 플라즈마 소스 개발 등의 기술 개발이 진행 중이다. 특히 삼성전자와 TSMC가 2025년 2nm GAA 공정을 본격 양산하면서 나노시트 채널 구조 형성을 위한 원자 단위 정밀 식각 장비의 중요성이 크게 높아졌다.

탄소저감을 위한 새로운 화학반응 공정 기체, 중성 빔(Beam) 같은 무손상(Damage-free) 플라즈마 소스 개발 등과 기존 공정의 개선 기술 개발이 지속적으로 연구되고 있으며, 반도체 소자의 물리적 축소 한계에 따라 소재 부분의 R&D에 집중하는 경향이 있다. 이에 따라 새로운 소재의 식각 기술 개발과 필요한 물질만 선택 식각할 수 있는 무한대 선택비 식각 기술의 중요성이 증대되고 있다.

미국의 Lam Research, AMAT, 일본의 TEL이 글로벌 상위 업체 중심의 과점 구조를 형성하고 있다. Lam Research는 2025년 2월 GAA 트랜지스터 및 차세대 DRAM·NAND 공정을 지원하는 Akara 컨덕터 식각 장비를 출시하며 기술 선도를 이어가고 있다. TEL은 Dielectric 식각 분야에서 전통적인 시장 강세를 유지하고 있으며, Hitachi는 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 소스를 지속 개량하여 저압 공정 시장 일부를 유지하고 있다.

한편 중국의 AMEC은 2024년 12월 미국 상무부의 검증된 최종 사용자(VEU) 목록에서 제외되어 TSMC 등 해외 선도 팹과의 협력이 사실상 단절되었다. 이에 AMEC은 SMIC, YMTC 등 중국 내 팹을 주요 고객으로 삼아 국내 수요를 중심으로 성장하고 있으며, 2019~2024년 플라즈마 식각 매출이 연평균 50% 이상 성장하였다. 아울러 수출 통제 대상 장비 20여 종의 자체 개발을 2029년까지 완료한다는 계획을 추진하고 있다. 국내에서는 세메스와 APTC가 제품을 개발하여 양산에 진입하였으나, 자본력과 인력 확보 측면에서 해외 선진업체 대비 열악한 상황이 지속되고 있다.

② CMP장비

반도체 소자의 미세화 및 다층화로 인해 CMP 공정 기술의 비중이 전체 디바이스 제조공정 내에서 지속적으로 높아지는 추세이며, 미국의 AMAT와 일본의 EBARA가 시장 및 기술을 선도하고 있다. 시스템반도체뿐만 아니라 메모리 분야에서도 3D 구조의 다층화가 이루어지고 있으며, 3D 낸드플래시의 적층 수가 200층을 넘어 300층 이상을 향해 나아감에 따라 CMP 공정 횟수와 균일도 요구 수준이 크게 높아지고 있다. 배선 선폭의 10nm 이하 미세화 추세, BEOL(Back-end of Line)에서의 Cu 배선 및 FEOL(Front-end of Line) 적용 재질의 급변화에 따라 연마 균일도, 설비 가동률 향상, 관련 소모재(Pad·conditioner, PVA brush)의 수명 향상 등 기능적 다변화가 요구되고 있다.

③ 증착장비

3D 낸드플래시, GAA 트랜지스터 등 3D 구조를 적용하는 복잡한 공정이 증가하면서 증착 장비 및 부품의 친환경, 고정밀, 고균일, 고종횡비 제어 기술에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 고온 증착, 고밀도 플라즈마 증착 기술은 박막 및 소자 신뢰성 저하의 원인이 되기 때문에, 3D 반도체 제조를 위한 저온 증착 공정 및 장비 개발이 지속되고 있다. 특히 GAA 트랜지스터의 나노시트 채널 형성에는 원자층 증착(ALD)의 정밀도가 결정적으로 중요하여, ALD 장비의 기술 수준이 2nm 이하 공정 경쟁력을 좌우하는 핵심 요소로 부상하였다.

3D 낸드플래시는 200층 이상의 적층 트랜지스터 제작을 위한 고균일 PECVD(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition) 증착 기술 관련 공정 장비 및 부품 개발을 미국의 AMAT가 선도하고 있다. 중국의 AMEC은 수출 통제 대응 차원에서 박막 증착 장비의 자체 개발에 집중하여 2024년 박막 장비 매출이 전년 대비 1,300% 급증하는 성과를 기록하였다. 국내에서는 유진테크, 원익 IPS, TES 등이 시장 진입을 위한 장비 개발을 진행 중이며, 고정밀 증착을 위한 히터 온도의 균일도 제어를 위한 세라믹 멀티존 히터 부품은 일본의 NGK가 기술을 선도하고 있는 가운데 보부 하이테크, 미코 등의 국내 기업들이 기술을 개발하여 삼성전자, SK하이닉스에 납품하기 위한 양산 평가를 진행 중이다.

④ MI기술

MI 기술과 공정 장비 기술의 융합화가 지속적으로 이루어지고 있다. 공정의 미세화, 3D 적층화된 소자 구조 활용, 복잡한 나노패턴 설계 등으로 인해 APC/AEC가 적용된 효율적 공정관리 기술개발을 위해 프로세스 장비와 MI 장비가 융복합된 IM(Integrated Metrology) 기술 개발이 진행되고 있으며, TEL, KLA가 이를 주도하고 있다. 최근에는 AI·머신러닝을 접목한 공정 이상 예측, 수율 최적화, 디지털 트윈 기반 장비 제어가 MI 기술의 핵심 화두로 부상하였다. KLA와 AMAT는 AI 기반 계측·검사 솔루션을 적극 출시하고 있으며, 공정 진단 센서의 소형화·직접화·지능화를 통해 신 공정 및 장비 상태를 실시간으로 정밀하게 측정 및 분석하는 기술 개발이 지속되고 있다.

⑤ 패키징 기술

AI 수요 폭증을 배경으로 첨단 패키징 기술은 반도체 산업의 핵심 경쟁 영역으로 부상하였다. 삼성전자와 TSMC는 3D 제품에 자체 첨단 패키징 공정을 적용하고 있으며, TSMC의 CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)는 NVIDIA Blackwell GPU 등 AI 가속기 수요가 집중되면서 2025~2026년 물량이 완전히 소진된 공급 병목 상태가 이어지고 있다. 이에 ASE 등 OSAT 업체들이 CoWoP(Chip-on-Wafer-on-PCB) 등 유사 기술로 대응하며 첨단 패키징 시장에 본격 진입하고 있다. 한편 삼성전자는 미국 텍사스 테일러 공장에 계획했던 70억 달러 규모의 첨단 패키징 시설 건설을 전면 철회하고 전략을 재조정하고 있다.

패키징 공정 생태계도 재편되었다. 과거 독립 법인으로 활동하던 Nanium은 2017년 Amkor에 인수되었고, STATSchipPAC은 2015년 JCET에 합병되었으며, J-Device 또한 Amkor에 흡수되어 현재는 JCET, ASE, Amkor 3사 중심의 OSAT 구도가 형성되어 있다.

패키징 공정은 2.5D/3D 적층 또는 외부 부품까지 패키지 내부로 집적하여 연결 부위를 최소화하는 동시에, 내부 연결의 모든 공정을 반도체 공정으로 미세화하는 방향으로 발전하고 있다. 패키지 내부의 데이터 대용량화·고속화는 2.5D/3D 기술로, 패키지 외부로의 대용량화·고속화는 기생 성분 특성이 우수한 Fanout 기술로 해결하는 구조가 정착하고 있다. 웨이퍼 단위 기반 2.5D/3D 및 Fanout 패키징의 증가로 반도체 전공정과 후공정 간의 경계가 허물어지고 있으며, 칩렛(Chiplet) 아키텍처의 확산과 HBM 집적 수요가 첨단 패키징 기술 개발을 더욱 가속화하고 있다.