[애널리스트칼럼] 반도체 장비 투자 계속 늘어난다

도현우 NH투자증권 연구원

올해 파운드리 반도체 장비 투자가 역대 최고 수준을 갱신하고 있다. TSMC, 삼성전자, UMC, GF 등 업체의 투자가 전년 대비 70~100% 가까이 늘었다. 5nm 이하로 진행되는 반도체 미세 공정 투자가 크게 늘고 반도체 공급 부족이 발생하면서, 업체들이 이를 해결하기 위해 투자를 늘렸다. 내년에도 이 같은 기조는 지속될 것으로 예상한다. 반도체 장비 중에서도 하이브리드 본딩과

High-NA EUV(극자외선)에 대한 투자가 본격화될 것이다.

최근 머신러닝 등 기존 컴퓨팅 자원에서 해결이 안되는 고성능 연산 수요가 증가하고 있다. 이를 해결하기 위해서는 이종 반도체 사이를 3D로 연결해 대역폭을 늘리는 게 필수다. 차세대 후공정 기술의 핵심이 하이브리드 본딩이다.

하이브리드 본딩 공정은 웨이퍼 위에 비아 패턴을 에칭하고 구리를 증착해서 전극을 형성한다. 계측이 끝난 웨이퍼에 노출된 구리 전극을 통해 서로 붙여 3D 패키지를 만든다. 하이브리드 본딩은 기존 후공정 팹에서 공정이 불가능하고 전공정 팹에서 가능하다. TSMC가 하이브리드 본딩을 사용하는 3D SoIC(System on Integrated Chip) 기술을 개발 중이다. 이 기술을 통해 기존보다 1/4로 줄어드는 10μm 본딩 피치가 가능하다. 20배의 에너지 효율을 통해 10배 이상의 반도체 간 통신속도가 구현된다.

현재 TSMC가 SoIC 전용 팹을 건설 중이다. 2021년 연말 완공 예정이다. TSMC SoIC 기술을 채택하는 첫번째 기업은 AMD다. AMD는 해당 기술을 활용해 서버용 고성능 칩렛 프로세서를 출시할 계획이다. 삼성전자는 X-Cube라는 3D 패키징 기술을 개발 중이다. X-Cube는 로직 반도체를 하단에, SRAM을 상단에 위치시키는 기술이다. 상하 반도체는 30µm 피치로 µ-범프에 TSV 기술을 사용해 연결한다. 로직 다이에 메모리 칩을 직접 연결한다는 점이 특이하다. 타 업체들은 인터포저와 실리콘 브릿지를 통해 연결하는 기술을 채택했다.

2023년부터는 EUV 장비보다 가격이 70% 이상 비싼 High NA EUV 장비 매출이 ASML 실적에 기여할 것으로 전망된다. High NA EUV란 차세대 노광장비 EUV의 NA(Numerical Aperture)를 0.33에서 0.55로 업그레이드한 장비로 서, EUV보다 더 미세한 피치의 반도체 공정을 가능케 해주는 장비다. High NA EUV 장비 1대의 가격은 3,500억 수 준이다. 아나몰픽 광학 시스템, 마스크와 웨이퍼의 이동 속도 증가 등이 필요해 EUV 장비보다 1.5배 이상 비싸다. 현재 사용 중인 ArF 이머전 노광장비보다는 3배 이상 비싸다.

향후 시장에서 High NA EUV에 대한 관심이 높아질 것으로 예상된다. EUV 이후의 노광장비에 대한 논의가 벌써 이루어지는 이유는 EUV의 양산 도입이 너무 늦어졌기 때문이다. 과거의 계획대로라면 2015년경 EUV가 양산에 도입 되었어야 했다. EUV 양산 도입은 장비 개발이 너무 어려워 2019년으로 지연되었다. 그래서 과거 예상 대비 EUV의 효용가치가 줄어들었다. EUV 장비로도 최근 업계가 요구하는 수준의 미세 공정이 어렵기 때문에 차세대 노광장비에 대한 이야기가 조기에 나오고 있는 것이다.

EUV 도입이 지연된 4년간, 반도체 소자업체들은 기존 ArF-I 노광장비 의 성능을 최대한 끌어올려 ‘멀티 패터닝’이 라는 공정 방법을 개발했다. 이들은 멀티 패터닝을 통해 공정 미세화를 지속했다. 때문에 양산 도입이 늦어진 EUV의 한계가 빠르게 다가올 가능성이 크다. 10nm 이하 제조공정에서는 EUV 장비도 멀티 패터닝이 필요하다. 멀티 패터닝은 큰 비용 상승으로 이어진다. 반면 High NA EUV는 8nm 이하의 패턴도 멀티 패터닝 없이 1번에 찍어낼 수 있다. 소자 업체들이 비용 절감을 지속하기 위해 높은 장비 가격에도 불구하고 High NA EUV와 같은 고 성능 장비를 기존 계획 대비 빠르게 도입할 수 밖에 없다.

ASML은 올해 첫 High NA EUV 장비 모듈을 조립하고, 내년에 R&D 용도로 초도 장비를 출하할 계획이다. 2023년 에는 고객사에 처음으로 High-NA EUV 장비가 설치될 전망이다. 이러한 EUV 장비는 과거 대비 마스크, 페리클, 설계 시스템, 포토 레지스트 등 부품 및 재료의 대규모 변화를 요구한다. 따라서 EUV 장비 양산 본격화는 장비 업계에 큰 수혜로 작용할 것이다.