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중소기업 기술로드맵 조회결과

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반도체 공정장비
* 발행 년도 : 2017년
1. 기술로드맵

반도체 공정장비 기술로드맵

2. 개요
가. 정의 및 범위
  • 반도체 공정장비는 반도체 칩을 구현하는 기술로 다이오드, 트랜지스터, 태양전지 등의 다양한 반도체 소자를 제조하고 기능을 부여하기 위한 박막 제조공정 및 처리기술, 그리고 소자를 패키징하는 기술을 의미
  • 미세 공정을 다룰 수 있는 공정장비, 소재 및 가공된 웨이퍼의 패키징까지 범위에 포함
나. 주요 제품

[ 제품분류 관점 기술범위 ]

제품분류 관점 기술범위
기술개발 테마제품분류 관점세부기술
반도체 공정장비 전공정 노광 Stepper/Scanner Track
식각 Wet/Dry, Plasma etcher
세정 Cleaner, Plasma asher
연마 CMP
이온주입 Ion Implanter
증착 PVD, CVD. ALD
열처리 Furnace, RTP
측정분석 Wafer Inspection, alpha-step, Metrology 등
후공정 패키징 Die attacher, Wire bonder, Encapsulation 등
테스트 메모리 테스터, 시스템 IC 테스터 등

[ 공급망 관점 기술범위 ]

공급망 관점 기술범위
기술개발 테마공급망 관점세부기술
반도체 공정장비 식각장비 정밀 식각을 위한 ALE(Atomic Layer Etch)기술, 생산성 향상을 위한 새로운 Plasma 소스 기술
연마(CMP)장비 배선폭 10nm 이하에 따른 연마 균일도, 설비 가동율 향상, 관련 소모재(Pad conditioner, PVA brush)의 수명 향상 기술
증착장비 3D 반도체 제조를 위한 고품질, 고성능 박막 증착을 위한 저온 증착 공정 기술 및 장비 개발, 고균일 온도 제어 및 초정밀 가스 유량 제어 기술
측정분석장비 공정 미세화, 3D 적층화된 소자 구조 활용, 복잡한 나노 패턴 설계 등으로 인해 APC/AEC가 적용된 효율적인 공정관리 기술개발을 위해 프로세스 장비와 측정분석장비가 융복합된 IM(Integrated Metrology) 기술
패키징장비 600mm 이상의 패널 레벨 Fanout 패키징 기술
3. 시장현황 및 전망분석
가. 세계시장

반도체 공정장비 시장은 글로벌 업체들의 3D 낸드 플래시 및 파운드리 투자가 본격화되면서 ‘16년은 397억 달러, ’17년은 434억 달러로 꾸준히 성장할 것으로 전망

[ 반도체 공정장비 분야의 세계 시장규모 및 전망 ]

(단위 : 백만 달러, %)

반도체 공정장비 분야의 세계 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
세계시장 397,12 43,456 44,035 45,012 49,088 55,035 2.5

* 출처 : SEMI, KSIA 자료 바탕으로 추정

  • 품목별로는 웨이퍼 공정장비에서 가장 큰 매출 증가가 예상됨 (15년 288억 달러 → 16년 312억 달러 → 17년 347억 달러)

세계 반도체 장비 시장은 ‘15년 약 373억 달러로 신규팹 투자 정체에 따라 성장세가 주춤한 상태이나, ’17년 이후에는 각사별 경쟁력 확보를 위한 미세공정 투자가 증대될 전망

  • 글로벌 장비기업들은 10나노 이하 장비 개발비의 급증 및 장비시장 정체에 따라 지속가능한 경영을 위한 M&A를 최우선 진행함
  • 세계 1위인 AMAT는 09년 Semitool, 11년 Varian을 인수하고, 13년 일본 TEL과 합병을 추진하였으나, 각국 공정위에서 불인정되어 15년 5월 합병을 철회함
  • 세계 2위인 LamResearch는 세계 5위인 미국 KLA-Tencor 인수를 추진하였으나, 독점금지법에 의해 16년 10월 합병이 취소됨
  • 미세화의 핵심인 양산용 리소장비의 개발·적용이 지연됨에 따라 증착·식각장비 시장이 증가되고 있음

[ 세계 반도체 시장 및 반도체 장비 시장 규모 ]

(단위 : 백만 달러, %)

세계 반도체 시장 및 반도체 장비 시장 규모
구분201520162017
SEMI Worldwide Equipment $36.5B $39.7B $43.4B
Equipment Change -2.6% 8.7% 9.3%
WSTS Semiconductor Forecast $335.2B $335.0B $346.1B
Equipment Spending as % of Semiconductor Revenues 10.9% 11.8% 12.5%

* 출처 : WSTS, November 2016, SEMI, December, 2016

첨단 패키징 시장은 ‘20년경 전체 반도체 패키징 시장의 44% 수준인 약 300억 달러 규모로 성장 전망

  • 첨단 패키징 시장은 ‘14년 기준 반도체 패키징 시장에서 38%(202억 달러)정도의 비중을 차지하며, 기존의 Fan in, Flip chip 시장에 2.5D/3D 집적화 제품 및 최근 가장 많은 관심이 집중되고 있는 웨이퍼 레벨 Fanout 시장을 포함
  • Fain in 및 Flip chip 시장의 꾸준한 성장과 2.5D/3D 적층, 그리고 웨이퍼 레벨 Fanout 기술의 적용 확대로 연평군 7%의 고성장이 전망
  • 고급 프리미어 스마트폰에 웨이퍼레벨 패키지 적용 비중이 급성장하였으며, Fanout 기술은 아이폰7 적용 이후로 급격한 성장이 예상

[ 첨단 패키징 시장 규모 ]

첨단 패키징 시장 규모

* 출처 : Yole, 2015

증착장비 시장은 약 7조원 규모로 AMAT(미국), Lam(미국), TEL(일본) 등 해외 업체가 시장을 주도

  • 반도체 장비 중에서 국내 업체의 경쟁력이 있는 분야로 주성, 유진테크, 원익IPS, 테스 등 국내기업들이 증착 장비의 영역을 확장하면서 국산화와 함께 기술 내재화 등에 적극적임
  • 반도체 소자 미세공정의 난이도가 높아지면서 ALD의 중요도가 점차 올라가고 있으며, 3D 관련해서 ALD 장비시장은 점점 증가하는 경향을 보임. 25nm DRAM의 경우 Capacitor 유전막의 두께는 3Å 수준으로 ALD 장비의 적용이 필수이며, 20nm 이하에서 일부 Oxide와 Nitride 절연막 등에도 ALD가 확대 적용되는 추세임
  • 48단 공정에는 기존 CVD를 적용하던 공정이 ALD로 대체되고 있으며, 64단 이후 공정은 증착의 난이도가 더욱 증가해 ALD 비중이 더 커질 것으로 예상됨
식각장비는 약 7조원의 시장규모로, Lam(미국), AMAT(미국), TEL(일본) 등 해외 업체가 시장을 주도하고 있으며, 핵심요소기술 및 노하우 축적이 요구되어 신규업체의 시장진입 장벽이 비교적 높은 분야
CMP장비는 약 1조원의 시장규모로, AMAT(미국), EBARA(미국)가 세계 시장 90% 이상 점유하고 있으며, 반도체 미세화, 다층화 추세로 전체 공정 내 CMP 장비 중요도가 높아지는 상황

MI(측정검사)장비는 약 5조원의 시장규모로, KLA-tencor(미국), Nanometrics(미국) 등이 시장을 주도

  • KLA-Tencor는 Lam과 합병을 추진하였으나, 인텔 등 반도체 소자업체들의 반대로 최근 합병이 무산됨. 노광기 업체인 ASML도 2016년 대만 Hermes 사를 인수하는 등 공정장비 회사들이 개발 경쟁력 강화를 위하여 계측, 검사장비 회사와의 인수, 합병을 추진하는 추세임

웨이퍼 레벨을 기반으로 하는 첨단 패키징의 비중이 높아짐에 따라, 반도체 전공정과 후공정 사이에 MoL 시장 개념이 확립되고 있으며, 관련 분야 장비시장 연평균 18% 수준으로 급성장

  • MoL 영역은 노광, 식각, 증착 등의 반도체 전공정과 CMP, Bonding 및 Test 등의 후공정 분야가 혼재되어 있으나, 주로 반도체 전공정장비 업체에게 진입 장벽이 낮은 상황임
  • 공정 측면에서는 일부 파운드리 또는 IDM 기업의 시장 참여가 위협요소로 작용하지만, 전반적으로 OSAT 기업에게는 웨이퍼 레벨에서의 패키징 공정은 기존의 사업 영역을 넓히는 기회로 인식함
  • 그러나 첨단 패키징 기반의 MoL 시장 확대는 높은 R&D 및 인프라 투자비용을 감당할 수 있는 기업에게만 열려 있는 시장으로 기업 실적 양극화 현상이 발생됨
  • 이러한 상황에서 반도체 전고정 업계에서 일어나고 있는 M&A를 통한 기업 몸집 불리기가 반도체 패키징 업계에서도 동일하게 일어나고 있음
  • 국내 패키징 기업의 경우 세계시장에 비하여 그 규모가 매우 영세하기에 매우 불리한 상황이며, 중국의 경우 막대한 자본의 뒷받침으로 규모뿐 아니라 기술적 우위에서도 경쟁력을 높여가고 있음

지역별로 반도체 장비 시장의 규모를 살펴보면 5년 연속 1위를 차지한 대만을 제치고, 한국이 가장 시장이 클 것으로 예상

  • 대만은 TSMC와 UMC를 중심으로 세계에서 가장 큰 장비시장 규모를 차지하고 있으나, ‘17년에는 한국이 가장 높은 점유율을 기록할 전망임
  • 한국은 ‘16년도에는 77억 달러를 기록하며 전년 대비 약간 증가하였으나, ’17년에는 대폭 증가한 130억 달러 전망함. 삼성전자는 DRAM 18nm 전환, 3D 낸드 플래시 투자, 파운드리 10nm FinFET 양산 등에 투자하고, SK하이닉스는 DRAM 및 3D 낸드플래시 등에 총 30억 달러 장비 투자 예정임
  • ‘18년 중국의 장비 시장 규모 증가율은 가장 높을 것으로 예상되며, SMIC, SK하이닉스(우시), 인텔(다롄)을 중심으로 계속 성장세 유지할 것으로 예상됨

반도체 제조가 주로 아시아(일본 포함, 약 75%)에서 이루어지고 있으며, 최근 중국의 공격적인 산업 육성 전략 구사에 따라 그 비중은 더욱 커질 전망

  • 지역별 반도체 장비 투자는 미국 15~20%, EU 5~7%, 일본 8~12%, 아시아 55~65%(중국 10~15%, 대만 25~30%, 한국 20~25%) 정도임
나. 국내시장

국내 반도체 장비시장은 약 85억 달러(‘16년)로 전세계 시장의 평균 20~25% 규모이며, 국산화는 약 20% 수준

[ 반도체 공정장비 분야의 국내 시장규모 및 전망 ]

(단위 : 억 원, %)

반도체 공정장비 분야의 국내 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
국내 시장 85,264 90,593 95,922 106,580 108,711 110,896 2.0

* 출처 : SEMI, KSIA 자료 바탕으로 추정

  • 반도체 장비 수출은 20억 달러 이상이나, 중국 등 해외에 위치한 국내 기업(삼성, SK하이닉스)으로의 납품 실적이 대다수임

국내 반도체 장비 기업은 반도체 산업(특히, 메모리)의 성장에 힘입어 매출고용의 양적 성장이 있었으나, 여전히 매출 1조원 고용 1천명 미만으로 영세

  • 해외 업체 대리점 및 가공 형태로 시작한 장비 기업이 그간 정부의 국산화 정책, 업계의 노력으로 일부 대규모 매출 기업으로 성장함(세메스 1.1조원, 원익IPS 0.5조원)
  • 대부분의 장비 기업의 평균 고용규모는 약 100명 수준이며, 업체별로는 10~800명까지 다양하나, 글로벌 업체에 비해서는 매우 열악한 수준임(1/20). 제한된 매출 규모로 인해 규모 영세성에 따른 낮은 처우 수준으로 고급 인재의 확보가 매우 어려운 상황임
4.기술분석
가. 기술환경 분석

신성장동력 7대 분야(반도체, 디스플레이, LED, 그린수송, 바이오, 의료, 방송장비) 장비산업의 기술경쟁력 확보로 지원하는 90억원 규모의 ‘신성장동력 장비경쟁력강화사업’을 추진 중

  • 최근 한국, 중국, 대만 등 아시아권의 반도체 공장 투자 증대로 전 세계 반도체 장비시장에서 아시아권이 차지하는 비율이 더 높아질 것으로 전망
메모리 이외에 국내 소자업체의 파운드리 시장 진입 가시화에 따른 파운드리 관련 공정기술 및 HV-power, 센서, 바이오칩 등의 다양한 기능의 반도체 소자에 사용되는 특화공정이 지속적으로 요구될 것으로 예상

반도체 증착공정은 반도체 제조과정의 77%를 차지하는 전공정 중에서 13% 비율을 차지하기 때문에 핵심공정으로 분류

  • 국내 반도체 증착장비에 대한 해외 의존도는 미국, 일본, EU를 포함하여 매년 80% 이상을 기록하고 있고 좀처럼 개선되지 않고 있는 것으로 조사
  • 미국, 일본, 유럽 3개국 10개 업체가 전체시장의 60% 이상을 차지하고 있으며, 이들 Big Vendor들의 영향력이 절대적으로, 공정 미세화, 대구경화 등으로 향후 Top 10 기업의 영향력이 확대될 전망

DRAM 미세공정 한계는 오고 있으나 현재 TSV(실리콘 관통전극)외 기술혁신은 없어 DPT(Double Patterning Technology) 공정 사용을 통한 미세공정은 지속될 것으로 전망

  • DPT 공정은 30나노급에서 2번 사용되지만, 2x nm에서는 4번, 2y nm에서는 5번, 2z nm에서는 7번 사용되기 때문에 30나노급에서 2z nm로 전환 가속화 시 DPT 공정은 기존대비 3.5배 증가율 예상
CPM 공정은 미세공정 확대에 따라 증가 전망으로 CMP는 CVD 공정공정 다음 스텝으로 CVD 공정이 늘게 되면 자연스럽게 CMP 공정도 늘어나게 되고, 미세공정 증가에 따른 제조 스텝 증가로 과산화수소수(H2O2) Cleaning 공정이 확대될 것으로 전망

일부 후공정장비는 기술 경쟁력을 확보하였으나 시장이 큰 전공정장비 분야는 선진국대비 70% 수준의 기술경쟁력을 확보

  • 전공정중 Asher, Furnace는 경쟁력을 확보하였으나 시장이 큰 전공정장비 분야는 선진국대비 70% 수준의 기술경쟁력을 확보
  • 장비업계의 사업영역 확장화 즉, M&A, 기술개발 등을 통해 일관공정 체계를 갖추고 수요기업의 요구에 대해 토털 솔루션을 제공함으로써 시장 지배력을 확대
5. 핵심요소기술 선정

[ 반도체 공정장비 분야 핵심요소기술 ]

반도체 공정장비 분야 핵심요소기술
분류핵심요소기술개요
플라즈마 장비공통 대용량 RF Generator 구조 다층화 및 미세화에 대응하는 플라즈마 응용 공정기술 개발
RF Matcher 구조 다층화 및 미세화에 대응하는 플라즈마 응용 공정기술 개발
플라즈마 해석기술 구조 다층화 및 미세화에 대응하는 플라즈마 응용 공정기술 개발
진공공정장 비공통 온도구간별 (저온, 중온, 고온) 신뢰성 및 내구성을 겸비한 O-ring기술 반도체 장비의 밸브라인에 쓰이는 온도구간별 O-ring기술 개발
MFC 유량제어 반도체 공정에 필요한 MFC 가스 제어 기술
Etcher ESC 식각 종횡비 100 이상을 내는 온도구간별 식각 공정 기술 개발
PECVD 챔버 드라이 클리닝 기술 반도체 챔버에 불순물을 제거하는 드라이 크리닝 기술
ALD ALD 가스밸브 ALD 가스 유량제어에 적합한 가스밸브 기술
AEC/APC 실시간 공정진단 알고리즘 고정밀, 고종횡비 증착 기술 개발
RF generator 소비전력 모니터링 센서 고정밀, 고종횡비 증착 기술을 위한 소비전력 측 정 센서
RF 진단센서 고정밀, 고종횡비 증착 기술을 위한 플라즈마 파워 진단 센서
진공척 온도측정 모니터링 센서 고정밀, 고종횡비 증착 기술을 위한 온도 조절 모니터링 센서