1. 개요

가. 개념 정의

□ 반도체 CMP 장치 및 부품은 반도체 소자 집적도를 높이기 위해 웨이퍼 상 각 단위공정의 박막 단차를 없애고 평탄하게 만드는 공정 및 장치 기술을 의미

□ CMP 기술은 반도체 소자(Device 또는 Chip)가 진공관 시대에서 VLSI, ULSI로 고집적화 됨에 따라 lithography 기술이 허용하는 초점 심도가 단차 이상으로 감소하는 문제를 CMP 기술의 광역 평탄화 특성을 이용하여 해결하기 위하여 1980년 미국 IBM사에서 최초로 도입

□ 화학적 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing)는 초고층 빌딩과 같은 다층의 배선층으로 구성된 반도체 칩을 박막한 층마다 연마하여 평탄화 하는 프로세스로, 연마 대상인 웨이퍼를 캐리어에 부착하여 연마패드를 붙여서 평판에 눌러 슬러리를 흘리면서 쌍방을 회전시켜 연마하여 나노 수준의 평탄성을 실현하는 기술

□ 반도체 소자 제조를 위한 화학적 기계적 평탄화 또는 polishing 기술은 웨이퍼를 폴리 우레탄으로 제조된 폴리싱 패드에 밀착시킨 상태에서 수백 nm 크기의 연마제가 함유된 슬러리를 폴리싱 패드 표면에 분산시켜 박막의 화학적 반응을 유도하면서 웨이퍼를 지지하는 폴리싱 캐리어와 폴리싱 패드가 부착된 polishing platen을 고속 회전시켜 개질된 박막 표면을 기계적으로 제거함으로써 소자 배선으로 인한 절연막의 단차를 평탄화하거나 소재배선을 분리하는 반도체 전공정 기술

□ 반도체 CMP 장치 및 부품은 연마장치인 CMP장치, 화학약품이나 미립자를 포함한 슬러리, 웨이퍼를 연마하는 패드, 패드 표면 상태를 정비하는 드레서(Dresser) 등으로 구성

[ CMP 공정 단계 개념도 ]

나. 중요성 및 의의

□ CMP(Chemical Mechanical Polishing)는 산/염기 용액에 의한 화학적 반응효과와 연마제에 의한 기계적인 효과를 결합하여 웨이퍼 표면을 평탄화 해주는 공정을 의미

□ CMP 장치는 신축성 있는 연마 패드(pad)와 웨이퍼에 압력을 가하며 회전하는 폴리싱 헤드(polishing head), 좋은 패드 상태를 유지 시켜주기 위한 패드 컨디셔너(conditioner) 및 연마 용액인 슬러리(slurry)를 공급해 주는 장치로 구성

다. 가치사슬 구조 및 분류

(1) 가치사슬 및 용도별 분류

◎ 가치사슬

□ CMP 장치 및 부품 산업은 전방 산업보다는 후방 산업과의 연계가 더 두드러지는 산업으로, 후방 산업인 반도체 제조 산업의 요구 조건에 맞추어 산업과 연구의 방향이 바뀌는 경우가 많음

□ CMP 공정이 반도체 공정에서 핵심 공정으로서 웨이퍼 표면 평탄화 및 배선공정에 적용됨에 따라 CMP 공정에 사용되는 소모품의 수요 역시 매년 상승하고 있음

□ 기술적 요구 수준이 높고, 제조 기술의 노하우가 많이 필요한 산업으로 신규 기업의 시장 진입이 어려운 편이며, 시장 규모는 반도체 장치 소모품 분야 중 가장 크지만 성장률은 낮은 편에 속하여 신규 기업 진입에 어려움이 존재

◎ 용도별 분류

□ 기존에 CMP 기술을 적용하지 않았던 Organic Light Emitting Diode(OLED) 산업 분야 에서도 미세화에 따라 CMP 기술을 도입하려 시도하고 있어 새로운 후방 산업이 생성될 가능성이 높아지고 있는 추세

□ 용도별로 Silicon wafer 제조, 산화막(Oxide) CMP 공정, 금속막(Metal) CMP 공정 등에 응용되어 사용

(2) 기타분류 방법

□ CMP 장치는 main process가 진행되는 연마 장치, 세정 장치, 슬러리 공급 장치, 폐액 처리 장치, 공정 모니터 장치로 구성

□ CMP 공정의 성능에는 연마 속도, step height, 평탄성, 균일성, 결함, dishing, rounding, 부식 등이 작용

2. 산업 분석

가. 산업 동향

◎ 적용 분야의 확대

□ 반도체 소자를 생산하기 위해 사용되는 제반장치를 제조하는 산업으로 전방산업인 반도체 산업의 영향을 많이 받음

[ 반도체 패러다임의 변화 ]

* 출처 : 중소벤처기업부, 중소기업 기술로드맵 지능형센서(2017)

□ 최근 AI, IoT, AR/VR, 웨어러블 등 인터넷에 연결된 사물의 수가 폭발적으로 증가함에 따라 수집된 빅데이터의 분석, 판단, 추론을 하기 위한 프로세서 및 저장 장치의 성능과 에너지 효율 개선이 절실히 요구

◎ 환경 문제 대두

□ CMP 장치는 타 공정장치에 비해 순수의 사용량이 가장 많아 CMP 전체의 소비에너지 중에서도 가장 높은 비율을 차지

□ CMP 장치의 배기량 소비 에너지는 순수 사용량 다음으로 높으며, 배기량의 삭감은 에너지 소비를 억제하고 환경으로의 부하를 감소시킴

□ 전기량은 CMP 장치에 있어 전체소비 에너지의 약 22%를 차지하며, 전기 사용량의 절감을 통해 에너지 소비를 억제하고 환경 부담을 경감시키려는 시도가 증가하고 있음

□ CMP 장치는 사용하는 순수량이나 전력량을 점감시킴으로써 환경으로의 부담을 경감시켜 환경보전으로 이어지고 있으나, 장치에서 나오는 슬러리와 순수의 폐액 처리에 필요한 에너지 소비 또한 높아서 환경으로의 부하가 크기 때문에 사용이 끝난 슬러리의 재활용 기술개발이 꾸준히 진행되고 있음

◎ 정책적 지원 강화

□ (국내) 국내 정부는 소재·부품·장치(소부장) 산업의 경쟁력 강화를 위해 관련 강화대책을 수립하고 해당 정책을 발표

□ (중국) ’18년 기준 중국 내 시공 또는 계획 중인 반도체 공장(Fab)은 25개로 전 세계의 42%를 차지

□ (대만) 대만 반도체산업의 핵심 기업인 TSMC가 첨단 미세공정에 지속적으로 투자하고 있으며, 이는 대만 반도체 제조용 장치 업계가 성장 동력을 확보할 수 있는 계기로 작용

나. 시장 동향 및 전망

(1) 세계시장

□ 반도체 CMP 장치 및 부품 분야 시장의 경우 CMP 장치와 각종 부품, 소모품 등의 시장이 포함되며, 회전 플래튼, 슬러리, 패드, 홀딩 링, 브러시 및 패드 컨디셔너 등을 모두 포함하는 범위로 조사

□ 반도체 CMP 장치 및 부품 분야 세계 시장의 경우 크게 북미시장, 유럽시장 및 아시아 시장으로 구분되며, 전체 시장 규모는 2018년 1,220백만 달러 규모로 연평균 성장률 7.7%로 증가하여 2024년에는 1,885백만 달러 규모까지 성장이 예상

(2) 국내시장

□ 국내 전체 반도체 제조 장치 시장은 2017년 기준 38억 5천만 달러 규모이며, 2023년까지 연평균 성장률 6.79%가 예상

[ 반도체 제조 장치 국내 시장 규모 ]

(단위 : 억 달러, %) * 출처 : Markets and Markets, Semiconductor Manufacturing Equipment Market(2017) 재가공 □ 아시아 지역 반도체 CMP 장치 및 부품 시장규모의 경우 한국, 대만, 중국, 일본이 주요 시장 지역이며, 기타 지역의 경우 약 12%를 차지 [ 반도체 CMP 장치 및 부품 아시아 및 국내 시장규모 및 전망 ] (단위 : 억 원, %) 구분 ’18 ’19 ’20 ’21 ’22 ’23 ’24 CAGR 한국 1,629 1,745 1,861 2,094 2,211 2,327 2,499 7.4 대만 1,978 2,094 2,211 2,444 2,560 2,793 3,008 7.7 중국 1,513 1,629 1,745 1,978 2,094 2,327 2,536 9.0 일본 814 931 931 1,047 1,047 1,163 1,237 6.4 기타 814 814 931 1,047 1,163 1,280 1,422 11.1 합계 6,750 7,215 7,680 8,612 9,077 9,892 10,703 8.2 * 출처 : Markets and Markets, Semiconductor Manufacturing Equipment Market(2017) 재가공 원달러 환율 1,164.00원(2019.12월 기준)으로 계산하여 재가공 3. 기술 개발 동향 가. 기술 개발 이슈 ◎ 새로운 재료의 등장에 따른 기술 변화 □ 미국의 인텔이 기존 CMP 공정의 주요 재료로 사용되었던 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄 (Al) 등을 대체하여 10nm 공정에 코발트를 사용하기로 결정하였으며, 1998년 IBM이 처음으로 낮은 저항을 위해 알루미늄을 구리로 대체한 이후 20년 만에 본격적 재료의 변화로 향후 CMP 장치와 소모품 수요도 고성장을 지속할 것으로 전망 □ 코발트의 확대 적용은 새로운 장치 수요 증가로 연결되며, 특히 CMP 장치 수요에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 전망 [ 코발트 적용으로 인한 성능 개선 모식도 ] * 출처 : CERAMIST, CMP slurry 기술 및 산업 동향(2017.12) ◎ 레이어 레이아웃 방향의 변경 □ 최근 일부 로직의 레이어 레이아웃이 양방향에서 단방향으로 바뀌고 있는 추세에 따라 CMP의 수요가 증가할 것으로 전망 ◎ 반도체 소자의 미세화 및 다층화 □ 반도체 소자의 미세화 및 다층화로 인해 CMP 공정 기술이 차지하는 비중이 전체 디바이스 제조공정 내에서도 높아지는 추세 □ 국내 기술 수준은 아직 해외 선진업체들에 비해 많이 뒤떨어지는 실정이며, CMP 공정의 중요성이 높아지는 만큼 장치 및 소재의 국산화가 절실한 실정 ◎ 3D NAND 기술에 따른 CMP 공정 확대 □ 3D NAND 및 Logic/DRAM 공정 미세화로 CMP 공정의 확대가 전망되며, 특히 3D NAND에서는 Oxide Buffing 공정과 텅스텐 CMP 공정 확대가 예상 4. 전략제품 기술 개발 전략 가. 중소기업 기술 개발 전략 □ 공정 미세화로 CMP 공정의 확대가 전망되며, 특히 3D NAND 배선공정 증가로 중요성 증가 □ 최근 소재부품장치 분야 정책 지원이 증가함에 따라 관련 업체들의 적극적인 기술개발 필요 □ 해외 일부 선진업체에 의해 독점이 이루어지고 있는 시장으로, 국내 업체들의 적극적인 기술 개발 및 시장 진입을 위한 시도가 필요 □ 디바이스 업체와의 전략적 연계를 통한 CMP 장치 기술의 노하우 및 요구 사항을 빠르게 수용하여 시장 진입이 가능한 부문을 선택적으로 선별 후 집중 개발 나. 핵심기술 리스트