1. 기술로드맵

□ 공정장비 국산화 및 첨단화에 대응하는 반도체 식각 및 증착 장비를 위한 중소기업 전략기술로드맵 구축

○ (중소기업 기술개발전략 1) 반도체 집적도의 향상으로 정밀한 증착을 위한 원자층 박막 증착 장비 개발

○ (중소기업 기술개발전략 2) 최근 증가하는 SiC 웨이퍼 제조, GaN 웨이퍼 제조 등에 대응하기 위한 에피탁시 성장 기술 개발

○ (중소기업 기술개발전략 3) 선폭 미세화로 장비의 공정도 복잡 및 2D/3D 기술이 발전함에 따라 반도체 핵심공정인 식각 장비 중요

○ (중소기업 기술개발전략 3) RF Generator 및 RF Matcher에 대한 기술개발을 통한 부품 고도화 및 국산화율 개선

[ 「반도체 식각 및 증착 장비」 기술개발 로드맵 ]

2. 개요

가. 정의 및 필요성

(1) 정의

□ 반도체 증착장비는 반도체 소자를 구동하기 위해 필요한 다양한 물질을 통상 1㎛이하의 얇은 막을 Wafer위에 다양한 Film을 화학적, 물리적 방법으로, 절연체, 전도체 등의 증착하는데 사용하는 장비

○ 증착(deposition)은 기판 위에 고체 또는 박막의 물질을 생성하는 과정으로 증착 공정은 반도체를 제작하는데 사용되는 유전체(절연)와 금속(전도) 재료의 층을 형성하는 공정

○ 증착의 방법은 크게 물리적 기상증착방법(PVD, Physical Vapor Deposition)과 화학적 기상증착방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)으로 구분

□ 식각장비는 반도체 제조 공정에서 반도체 웨이퍼 또는 웨이퍼 위에 증착된 박막을 선택적으로 제거하여 원하는 형태의 구조물로 만드는 장치

○ 반도체 소자의 크기가 점차 미세화 및 고집적화 되어감에 따라 식각장비를 설계, 구현, 검증에 많은 시간과 노력이 들어가고 있으며, 이를 보완하기 위해서 다양한 반도체 식각 기술이 개발되고 있음

○ 식각 반응에 사용하는 물질에 따라 습식 식각과 건식 식각으로 구분되며, 습식 식각의 경우 용해성 화학물질을 사용

[ 반도체장비 품목로드맵 내 반도체 식각 및 증착 장비 ]

(2) 기술개발 필요성

□ 반도체 공정 미세화, 집적도 향상 등의 요구에 따라 前공정 분야의 빠른 성장이 예상되고 있으며 동 분야 기술 수요 증가

○ 증착 분야는 HKMG, GAAFET 적용으로 인한 High-K 및 Si/SiGe 증착장비 수요가 증가 및 공정의 미세화와 3D 반도체를 추구할 전망이며 비메모리 소자에서의 수요 확대(GAAFET의 Si/SiGe 채널 형성, SiC 및 GaN 웨이퍼 제조 등)로 장비 역시 수요 확대 전망

○ 식각 분야는 3D 셀(Cell) 적층(Stack) 방식의 활성화로 핵심 성능지수가 변화하면서 2D/3D 기술이 발전함에 따라 반도체 핵심공정으로 부상였으며 선폭 미세화로 장비와 공정의 복잡도가 증가

○ 최근 전자제품은 점점 고기능화되었고, 전기자동차가 대중화되기 시작하면서 AI와 IoT 기반의 인프라가 확충되었으며, 빅데이터를 다루고 클라우드 서비스를 제공하는 기업들도 증가하여 반도체 수요는 급속도로 증가

□ 반도체 식각과 증착 기술은 서로 앞다퉈 발전해 온 분야

○ 증착은 디바이스 용량이 확장되면서 트렌치(Trench)가 아닌 적층(Stack) 방식을 채용한 1990년대 초가 가장 획기적 변화

○ 식각공정은 2D(평면 구조) 반도체의 미세화 및 3D(입체 구조) 반도체의 적층 기술에 발맞춰 함께 발전

□ 반도체 증착장비의 중요성

○ 반도체 산업 생태계를 지원하는 역할을 수행하고 있으며, 형태를 갖춘 하나의 산업으로서 존재하기보다는 반도체 제조 생태계에서 8대 공정의 연결에 있어서 다양한 증착 기술군의 특성을 보유

○ 반도체 증착장비를 하나의 산업으로 본다면 큰 규모는 아니지만 반도체 증착장비는 반도체 산업 전반의 기술 성숙도를 좌우하는 기반기술이기 때문에 반도체 제조에 있어서 매우 중요

○ 반도체 산업의 규모가 급속하게 커지고 주요기업의 막대한 투자를 통해 경쟁자와 기술 격차를 확대하여 앞서나가는 전략을 취하고 있기 때문에 기술격차의 근본이 되는 반도체 증착장비는 반도체 산업의 기술 자립을 위한 핵심 무기

○ 4차 산업의 현장에서 수집된 빅데이터의 분석, 판단, 추론을 위한 반도체는 전력소비량을 줄이고, 많은 데이터의 저장과, 안정성에 부합하기 위하여 공정의 미세화와 3D 반도체의 추구하고 있으며 이는 다양한 반도체 증착장비로 구현 가능

○ 반도체 증착장비의 기술은 디스플레이, 태양광, LED등의 유사 관련 산업으로 그 기술이 전파되어 기술의 활용도가 매우 높음

□ 반도체 식각장비의 중요성

○ 식각 공정은 한 번 잘못되면 되돌릴 수 없어 식각 공정의 성패에 따라 수율과 품질이 결정될 정도로 식각 공정은 전체 반도체 생산 공정에서 중요한 역할

나. 범위 및 분류

(1) 가치사슬

□ 반도체 증착장비의 가치사슬(Value chain)은 연구 및 개발, 설계, 원부자재, 반도체 제조장비, 마케팅 및 판매, 고객으로 구성

○ 반도체 증착장비는 반도체 생산시 반도체에 결정적인 영향을 미치는 박막 성장 및 증착 공정, 그리고 절연막층 및 금속배선을 위한 금속막층을 형성시키는 공정 진행하는 장비

[ 반도체 증착장비 품목 산업구조 ]

□ 식각장비는 다양한 기능을 갖는 반도체를 제작하기 위한 공정기술로, 특정 제품이나 기능을 지향하는 것이 아니라 기술적 니즈를 충족시키는 방향으로 공정기술 발전

○ 국내의 경우 식각장비의 전방산업은 메모리 반도체 산업을 중심으로 하고 있으며, 시스템반도체 산업, 파워 반도체 산업, 반도체 파운드리 산업 등으로 구분

[ 반도체 식각장비 품목 산업구조 ]

(2) 용도별 분류

□ 반도체 공정은 원재료인 웨이퍼를 개별 칩으로 분리하는 시점을 기준으로 전·후 공정, 검사로 구분되며 각 공정별로 전문화된 장비를 활용

○ 특히 전공정은 미세화 기술 등 반도체 칩의 품질을 좌우하는 단계로서 노광기, 증착기, 식각기 등의 높은 기술 수준이 요구

□ (증착장비 기술별 분류) 박막을 증착하는 방법에 따라 물리적 기상증착법(PVD,)과 화학적 기상증착법(CVD), 원자층증착법(ALD), 에피증착(Epitaxial Deposition) 장비로 분류

○ 원자층 증착장비는 원자층 한층씩 증착하는 방식으로 Self Limiting Film Growth Mechanism을 적용하여, 20nm 이하의 DRAM 등의 미세공정과 3D NAND 제조공정에서의 Oxide나 Nitride 절연막 등에 적용하는 증착(ALD) 장비

○ 스퍼터는 플라즈마 안의 이온을 타겟 물질에 입사시키는 방식으로, 진공 챔버 내에 Ar 기체를 주입하여 강한 전압을 가하여 자유전자와 Ar 기체가 충돌하여 그로 인해서 Ar 양이온이 형성되고 이 양이온이 음전하 방향인 타겟으로 이동하여 충돌, 타깃 물질은 운동에너지에 의해 반대편에 위치한 웨이퍼로 이동하여 증착

○ CVD 증착장비는 반응에너지원에 따라 Thermal CVD, PECVD, HDP CVD, Photon CVD로 분류하며, 공정압력에 따라 APCVD, SACVD, LPCVD등으로 분류

□ (식각장비 기술별 분류) 식각장비는 서로 다르지만 상호 협력하는 다양한 기반기술의 집합으로, 전체적으로는 다음과 같이 분류

○ Etcher : 반도체 8대 공정 중 하나로, 화학 약품의 부식 작용을 이용하여 웨이퍼 상의 특정 물질을 제거하는 과정

○ Asher : 포토 공정 이후 PR 잔여물을 제거하는 장비

○ Mask Strip System : 반도체 노광공정(반도체 직접재료를 원하는 패턴으로 깎아내기 위한 사전 작업) 이후 불필요한 부분을 날리는 장비

3. 환경 분석

가. 시장 현황 및 전망

(1) 개황

□ 세계 경제는 계속해서 신종 코로나 바이러스(COVID-19)의 영향으로 서서히 활발해지고 있으며, 반도체 시장은 전년도의 견고한 성장의 흐름을 이어받아 폭넓은 용도로 수요가 강화되었고 크게 성장

○ 팬데믹 이후 재택근무와 관련된 수요로 컴퓨터나 태블릿PC, Wi-Fi 기기, 또는 동영상 업로드 및 게임기 시장이 확대

□ 반도체 제조 장비 시장은 소비자 가전 수요가 증가함에 따라 성장 예상

○ 가전제품, 의료 기기 및 센서 시스템 생산업체의 반도체 칩에 대한 수요 증가는 반도체 산업을 발전시키고 있음

○ 중산층의 부상, 변화하는 라이프스타일, 취향, 스마트 전자 장치 사용에 대한 수요 증가는 모두 최근 몇 년 동안 가전 제품의 성장에 기여함

□ 최근 각국의 반도체 자급화 노력으로 팹 건설과 함께 반도체장비 수요가 급증하여 적시에 반도체장비를 조달하기 어려운 상황

○ 코로나 사태 이후 반도체 수요가 급증하고 코로나 봉쇄와 러시아·우크라이나 전쟁으로 물류난이 일어난 상황에서 노광·식각·증착 등 핵심 공정에 필요한 반도체장비들의 공급난마저 가중

□ 전공정 장비 중 증착 일부 세정·열처리 장비는 경쟁 가능한 수준이나, 노광장비, 이온 주입 장비 및 측정 장비는 기술 기반이 매우 취약

○ 업체는 점유율 순으로 Lam Research, Tokyo Electron, Applied Materials 등이 있으며 대부분의 식각장비를 해외 업체에서 생산

(2) 관련 시장 규모 및 전망

① 세계 시장

□ 반도체 공정 미세화, 집적도 향상 등의 요구에 따라 전공정 분야의 빠른 성장이 예상되며 Lam Research, TEL, Applied Materials가 높은 점유율로 독과점 구조

[ `21년 증착 및 식각장비 시장 점유율 ]

<증착장비 시장 점유율>	<건식 식각장비 시장 점유율>
* 출처 : 반도체 전쟁의 승패는 기술력이 가른다_하이투자증권(`23.03)

○ 반도체 증착장비 시장은 2021년 213.2억 달러였던 증착장비 세계시장 규모는 2027년 505.4억 달러로 연평균 성장률은 15.50%로 증가할 것으로 전망

○ 반도체 식각장비 시장은 2021년 213.2억 달러였던 증착장비 세계시장 규모는 2027년 505.4억 달러로 연평균 성장률은 15.50%로 증가할 것으로 전망

[ 증착 및 식각장비 세계 시장 규모 및 전망 ]

(단위 : 백만 달러, %)

② 국내 시장

□ 국내 공정장비 업체는 높은 기술진입 장벽, 핵심부품의 낮은 국산화율, 원천기술 확보 미비 등으로 증착 및 식각장비의 세계시장 점유율이 낮은 실정

○ 국내 반도체 증착장비 시장은 세계 반도체 증착장비 시장의 약 5.6% 수준

○ 국내 반도체 식각장비 시장은 2021년 3조 9,818억 원에서 반도체 업황의 반등으로 연평균 13.63%의 성장이 예상되어 2027년에는 7조 1,675억 원 규모를 형성할 것으로 예상

[ 증착 및 식각장비 국내 시장 규모 및 전망 ]

(단위 : 억 원, %)

나. 기술개발 동향

(1) 개황

□ 기술수준

○ 반도체 식각 및 증착장비는 유럽이 최고기술국으로 평가되었으며, 우리나라는 최고기술국 대비 67.4%의 기술수준을 보유하고 있으며, 중소기업의 경우 57%의 기술수준을 보유

□ 공정･장비기술개발은 공정 미세화 대응 제조･공정장비 성능 향상 및 반도체 생산 효율 개선을 위한 공정기술･장비･소재 상용화 기술개발(원자레벨 식각, 증착장비 등)

○ `20년 세계 파운드리 시장은 큰 폭의 성장 전망 속에 삼성전자와 TSMC의 미세공정 기반 위탁생산 경쟁 심화

○ 이에 따라 지속적인 CMOS소자의 미세화(Scaling)가 진행 중이나, 최근 제작비용 증가 등에 따라 발전 속도가 다소 둔화

□ Planar FET에서 FinFET으로, FinFET에서 GAAFET으로 MOSFET 구조의 혁신이 일어날 때마다 공정의 Step 수가 증가하였으며, ALD, Epitaxy 증착장비에 대한 수요 증가로 기술개발 필요

○ (PEALD) High-k 유전막을 도입하면서 원자 단위의 두께로 증착 가능한 ALD(Atomic Layer Deposition)에 대한 수요 증가

□ 반도체 소자의 크기가 점차 미세화 및 고집적화 되어감에 따라 식각장비를 설계, 구현, 검증에 많은 시간과 노력이 들어가고 있으며, 이를 보완하기 위해서 다양한 반도체 식각 기술개발

○ (저온 or Cryogenic 공정 기술) 주요 낸드 제조사는 200단 이상 적층한 낸드를 양산 중이며 고종횡비 식각을 위한 공정 기술 필요

○ (원자층 제어기술) 반도체소자의 고집적화에 대한 요구가 계속되어짐에 따라, 최근 반도체 집적회로의 설계에서 디자인룰이 더욱 감소돼 0.25 ㎛ 이하의 임계치수(Critical Dimension)가 요구

(2) 주요 기술개발 동향

① 해외 기업

○ (AMAT, 미국) 반도체 웨이퍼 제조를 위한 반도체 제조 공정에 사용되는 식각·증착장비 부문에서 독보적 규모를 보유하고 있으며 2021년 전세계 반도체장비 약 22%의 글로벌 시장 점유율로 세계 1위

○ (Lam research, 미국) 식각장비, 증착장비, 세정 장비를 공급하며, 식각장비 시장에서 50% 넘는 시장 점유하며 전체 반도체 시장 점유율은 15%로 업계 3위

○ (ASML 네덜란드) 첨단 반도체 생산에 필수인 극자외선 노광장비를 세계에서 유일하게 생산하는 반도체장비로 압도적인 시장 독점하며 2021년 전세계 반도체장비회사 매출에서 10위 2%의 점유율을 차지

○ (Tokyo Electron, 일본) 반도체장비 3~4 위를 다투는 기업으로 트랙 설비 분야에서는 점유율 87%로 1 위를 차지하고 그 외 식각(27%), 증착(38%), 세정(20%), 테스트(45%) 등 여러 분야에서 높은 점유율을 갖고 있는 반도체장비 종합 솔루션 업체

② 국내 기업

○ (SEMES) 1993년 삼성 계열사로 설립된 반도체/디스플레이(LCD) 핵심장비를 생산하는 국내 최대 규모의 장비업체

○ (피에스케이) 피에스케이홀딩스에서 전공정 장비 부분 분리 설립한 반도체장비 회사

○ (주성엔지니어링) 1993년 4월 13일에 설립되어 1999년 12월 22일에 주식을 코스닥에 상장한 상장회사임 반도체 제조장비, 디스플레이 제조장비 사업을 영위

○ (에이피티씨) 반도체 제조 공정 중 식각 공정에 필요한 장비를 제조, 판매하고 있으며 주력 제품은 300mm 실리콘 식각장비(Poly Etcher)등을 보유

○ (테스) 반도체 제조에 필요한 전공정 장비(PECVD, LPCVD, Gas Phase Etch & Cleaning 등)의 제조를 주된 사업으로 영위

③ 국내 연구개발 기관

□ 고려대학교

○ 다양한 종류의 기판에 단차피복성이 우수하며 원자단위 박막 두께 조절이 용이한 thermal 타입 원자층 증착장비(Atomic layer deposition)를 구축

○ 구축된 ALD 장비를 기반으로 반도체 산화물(ZnO, TiO2, Al2O3, CeO2 등)의 증착 공정 조건을 확립하고, 제작된 반도체 산화물에 대한 최적화된 특성 파악(SEM, TEM, XRD, XPS, AFM 등)을 수행

□ 한국생산기술연구원

○ 고생산성 수직형 semi-batch ALD 공정 플랫폼의 요소기술 최적화 -대구경 챔버 magnet-sealing 진공기술 개발 -방착판 증착방지 표면 처리 기술 개발

□ 숭실대학교

○ 2020년 4월부터 반도체 식각장비 실시간 공정진단 및 분석을 위한 AI 플랫폼 개발

□ 에이피티씨

○ 300mm급 플라즈마 이온 도핑 장비의 개발 및 도핑공정 개발

○ 10nm급 초미세 SADP 공정용 건식 식각장비 개발

○ Leo WH 장비 개발 : 2세대 Poly Etch. 장비 양산형 모델 개발

○ TIGRIS 장비 개발 : 300mm 산화막 Etch. 장비 개발 진행 중

□ 기가레인

○ LED 플라즈마 식각장비 : DRIE 기술을 통한 공정 최적화 기술 보유

○ 차세대 반도체 패키징 공정(TSV)에 적용 가능한 심도반응성 이온식각(DRIE) 장비

4. 특허 분석

□ 전략품목에 대한 특허동향 분석, 기술동향 분석, 주요 출원인 분석을 통해 아래와 같이 결과 확인

[ 특허 분석 결과 ]

□ 4개 평가지표(활동도, 부상도, 시장력, 영향력)에 따른 정량적 분석 결과는 아래와 같이 도출

[ 평가지표/ 정량적 분석 ]

*각 평가지표 값은 원 계산 값에 상대적 비교의 편의성을 위해 최고점 100점으로 환산한 값이며, 상대적 기술경쟁력은 각 평가지표의 가중치를 1:1로 반영하여 평균값을 도출한 것임

[ 주요 특허 선별지표 ]

5. 기술개발 로드맵

□ 전략품목에 대한 핵심기술 및 개발목표 등을 토대로 기술개발 로드맵 구축