[초점] 日 반도체 장비 수출 규제…자급률 낮은 중국 숨통 조인다

일본 정부는 지난 3월 31일 반도체 제조 장비 23개 품목의 대중국 수출을 제한하겠다고 발표했다. 이번 조치는 지난해 10월에 미국이 발표한 중국에 대한 반도체 장비 수출규제 조치에 대한 후속 조치이다.

일본은 세계 반도체 시장의 장비 제조 분야에서 미국, 네덜란드와 함께 최고의 경쟁력을 가지고 있다. 아직 중국은 자립할 정도의 실력이 아니며, 이제 자립을 위해 막대한 투자를 하고 있는 상태에 있다. 따라서 수출규제 피해는 반도체 산업 전반으 확산될 수 있다.

일본 통상산업성은 보도자료를 통해 “세정장비 3개 품목, 박막증착장비 11개 품목, 열처리 1개 품목 등 칩 제조용 6개 품목 23개 품목에 대해 수출규제를 시행한다”고 밝혔다.

이 23개 제품군에는 극자외선(EUV) 관련 제품 제조 장비와 메모리 소자의 3차원 적층을 위한 식각장비도 포함된다. 모두 10~14nm 이하 선폭을 가진 첨단 제품을 제조하는 데 필요한 장비들이다.

수출 통제 정책으로 인해 도쿄전자, 니콘 등 12개 이상의 일본 기업이 23종을 수출하려면 라이선스가 필요하다. 일본 정부는 3월 31일부터 4월 29일까지 의견을 수렴하고 7월에 개정법 시행에 들어갈 예정이다.

일본은 중국 등 특정 국가·지역을 단속 대상으로 명확히 지정하지는 않았으나 우호국 등 42개 국가·지역을 제외하고 새로 추가된 23개 품목은 개별 허가를 받도록 해 사실상 중국 본토 수출을 어렵게 하고 있다.

대만과 싱가포르 같이 일본이 가장 선호하는 무역 파트너로 분류된 지역은 허가 없이 장비를 계속 수입할 수 있다고 일본 정부는 말하고 있다. 제한된 장치를 중국 본토로 수출하려면 수출 통제 면허가 있어야 한다.

일본이 23개 반도체 장비의 중국 수출을 승인하지 않으면 중국 반도체의 제조업에 상당한 타격을 줄 것이 분명하다.
이에 앞서 네덜란드 ASML은 공식 홈페이지를 통해 추가 수출 통제에 관한 성명을 공개하며, "자사의 TWINSCAN NXT:2000i 등 최첨단 제품의 수출 제한이 전개될 것"이라고 말했다.


반도체 장비는 전단 제조 장비와 후단 패키징 및 테스트 장비로 나뉜다.

전단 제조 장비에는 주로 리소그래피 장비, 에칭 장비, 박막 증착 장비(PECVD, LPCVD, ALD 등 포함), 이온주입 장비, 세정 장비, 화학적 기계적 연마(CMP) 장비, 프로세스가 포함된다.

후단 패키징 및 테스트 장비에는 주로 분류기, 테스트기, 다이싱기, 배치기 등이 포함된다.

시장 규모로 보면 전단 웨이퍼 제조 장비 시장 규모가 전체 장비 시장의 80% 이상을 차지한다.

VLSI 리서치 자료에 따르면 전체 반도체 제조 장비 시장은 미국(41.7%), 일본(31.1%), 네덜란드(18.8%) 등 3개국이 주로 점유하고 있다.

미국은 에칭 및 세정 장비, 박막 증착 장비, CMP 장비, 공정 제어 장비 및 테스트 장비 분야에서 상대적으로 큰 이점을, 일본은 리소그래피 장비, 에칭 장비, 스크라이빙 장비 및 테스트 장비에서, 네덜란드는 리소그래피 장비 분야에서 큰 이점을 가지고 있다.

우선, 포토리소그래피부터 살펴본다. 이는 설계된 패턴을 웨이퍼 표면의 포토레지스트로 옮기는 데 사용되는 기술이다.

리소그래피는 노광 공정 핵심장비이자 난이도가 최고 높고 단가도 가장 비싼 반도체 장비이다.

리소그래피 장비 시장에서 세계 3대 제조사는 네덜란드의 ASML, 일본의 니콘(Nikon)과 캐논(Canon)으로 3사가 약 99%를 점유하고 있다. ASML이 약 90%의 독점권을 가지고 있다.

현재 중국의 리소그래피 제조업체는 상하이 마이크로일렉트로닉스뿐이며, 주요 출하량은 후단 패키징 리소그래피 기계이며 전단 리소그래피 기계는 현재 90nm에 도달할 수 있으며 출하량이 적다.

다음으로 에칭은 집적 회로 칩의 구조 설계 요구 사항을 충족하기 위해 용액, 이온 등을 사용해 실리콘, 금속 재료 및 유전체 재료와 같은 웨이퍼 표면 재료를 제거하는 공정을 의미한다.

공정 기술의 관점에서 에칭은 습식 에칭(WetEtching)과 건식 에칭(DryEtching)의 두 가지 유형으로 나눌 수 있다.

글로벌 식각장비 시장은 미국 램그룹, 미국 어플라이드 머티어리얼즈, 일본 도쿄전자 등 3개 업체가 독주하고 있다.

데이터에 따르면 2020년에는 램그룹(46.71%), 어플라이드 머티어리얼즈(16.96%), 도쿄전자(26.57%)가 전 세계 식각장비 시장의 90.24%를 차지하고 있으며 히타티와 시마이시가 그 뒤를 잇고 있다. 각각 3.45%와 2.53%를 차지했다.

한편, 중국 에칭 장비 제조업체 중 중웨이가 1.37%, 노스 화추앙이 0.89%, 이탕이 0.10%를 차지했다.

중국 자체 생산만으로는 수요를 충족하는 것이 불가능하며, 자체 생산력을 더 키워야 자립성을 갖게 된다.

세 번째로 박막 증착 장비다. 박막 증착은 웨이퍼 표면에 SiO2, SiN 등의 절연성 유전체막과 Al, Cu 등 금속 도전막을 물리·화학적 방법으로 교대로 적층하는 것으로, 박막 증착이 끝나야 포토리소그래피, 식각 등이 가능하다. 이 공정을 거쳐 최종적으로 각 층의 회로 구조를 형성한다.

박막의 제조에는 툭수한 기술원리가 필요하다. 물리적 방법은 주로 금속 와이어 및 금속 화합물 필름 등을 증착하는 데 사용되지만, 일반적인 물리적 방법은 절연 재료의 전사를 달성할 수 없으며 다른 가스 간의 반응을 통해 증착하는 데 화학적 방법이 필요하다.

글로벌 박막 증착장비 시장에서는 미국의 어플라이드 머티어리얼즈, 판린그룹, 일본의 도쿄전자가 주로 점유하고 있다.

가트너의 데이터에 따르면 어플라이드 머티어리얼즈는 가장 포괄적인 제품 라인업을 보유하고 있으며 PVD 장비는 85%의 독점 점유율을 가지고 있다. 판린그룹은 CVD 및 증착후 처리 기술에서 포괄적인 레이아웃을 보유하고 있다.

네덜란드의 ASM 인터내셔널도 박막 증착 장비 시장에서 일정 위치를 차지하고 있다. 예를 들어, 원자를 이용해 박막을 만드는 원자층 증착(ALD) 장비 분야에서 도쿄전자와 함께 각각 DRAM 커패시터와 HKMG 기술에 산업 응용 구현을 주도했으며 2020년에 두 회사가 시장의 약 60%를 차지했다.

중국 박막 증착 장비 제조사 중 투어징 테크놀리지는 중국 CVD 장비 분야에서 PECVD·ALD·SACVD 장비를 다루는 최대 업체이며, 노스 화추앙은 중국 PVD 장비의 선두 업체로 LPCVD·PECVD 장비를 다루고 있다.


그러나 중 박막 증착장비 업체들은 아직 제품 성능이 기대에 미치지 못해 전체적으로 글로벌 시장에서 상대적으로 낮은 점유율을 보이고 있다.

네 번째는 반도체 세정장비이다. 세정공정은 반도체 제조공정 전반에 걸쳐 진행되며 주로 반도체 실리콘 웨이퍼 준비, 웨이퍼 제조, 패키징 테스트 각 단계에서 존재할 수 있는 불순물을 제거하여 불순물이 칩 수율 및 성능에 영향을 주지 않도록 하는 공정이다.

반도체 세정 장비는 주로 단일 칩 세정 장비, 탱크 세정 장비, 배치 로터리 스프레이 세정 장비, 스크러버 등을 포함한다.

글로벌 반도체 세정장비 시장에서 일본, 미국, 한국 업체가 주로 독점하고 있으며, 이들 3개국 업체가 시장의 80% 이상을 점유하고 있다.

일본 제조사인 스크린 반도체 솔루션이 약 50%의 시장 점유율로 선두이고, 그 뒤를 도쿄전자, 미국 판린 그룹 등이 약 30~40%를 점유한다. 나머지 시장은 주로 삼성전자 반도체 업체들이 과점하고, 장비업체인 세메스와 SK하이닉스의 지원을 받는 무진이 점유하고 있다.

중국 반도체 세정 장비의 경우 셩메지 반도체 장비가 풍부한 제품 라인과 중국 최대의 세정 장비 매출로 12인치 라인 세정 장비 업계에서 선두이다.

또한, 지춘 테크놀리지는 8-12인치 고급 단일 웨이퍼 습식 세정 장비와 탱크 습식 세정 장비를 갖춘 중국의 주요 세정 장비 공급업체다.

다섯 번째는 CMP 장비이다. CMP는 첨단 집적회로 제조 및 첨단 패키징의 전단 공정에 필요한 핵심 공정 기술이다.

CMP는 화학적 작용과 기계적 작용의 조합을 기반으로 하는 결합 기술로 작동 원리는 회전하는 웨이퍼가 일정한 압력으로 회전하는 연마 패드에 대해 압력을 가하여 상대 운동을 만드는 것이다. 화학 효과의 고도로 유기적 조합으로 평탄화를 만들어낸다. 필요한 재료는 주로 연마액과 연마 패드가 있다.

글로벌 CMP 장비 시장은 미국의 어플라이드 머티어리얼즈와 일본의 에바라를 합치면 90% 이상의 시장 점유율이다. 중국의 하이-앤드 CMP 장비는 대부분 어플라이드 머티어리얼즈와 에바나에서 제품을 공급하고 있다.

중국에서는 CMP 장비를 상업적으로 대량 생산하여 판매할 수 있는 회사가 상대적으로 적으며,국제반도체장비재료협회(SEMI)의 2018-2020년 중국 CMP 장비 시장 규모와 판매 수익에 따르면 화하이 칭커가 선두이다.

여섯 번째 장비는 이온 주입기이다. 반도체 소자의 전기적 성능은 반도체에 도핑된 불순물의 농도에 따라 달라지는데, 반도체 웨이퍼 제조공정에서 전기전도도가 나쁜 순수한 실리콘을 유용한 반도체로 만들기 위해서는 소량의 불순물을 첨가해 그 구조와 전도도가 변화한다. 이 과정이 이온 주입이다.

글로벌 이온주입 장비 시장은 미국 어플라이드 머티어리얼즈와 엑셀리스가 시장을 거의 독점한다. 전자가 66.9%, 후자가 19.4%를 차지한다. 일본은 닛신, 일본 진공 및 스미토모 중공업 같은 잘 알려진 플라즈마 주입기 제조업체가 있다.

반면 중국 이온 주입 장비 제조업체로는 카이이쉬통과 베이징 중커신 두 개공급 업체가 있다.

그 중 베이징 중커신은 대·중 빔 이온 주입 장비, 고에너지 이온 주입 장비 및 다기능 이온 주입 장비를 포함한 세 가지 유형의 이온 주입 장비를 개발했다. 기술 및 제품 라인에서 진보된 장비라는 평을 받는다. 이 회사의 이온 주입 장비는 SMIC의 12인치 웨이퍼 팹의 65nm 성숙 생산 라인에서 검증되었다.

카이이쉬통은 작년 2월 저에너지 및 대형 빔 이온 주입기와 저에너지 및 대형 빔 초저온 이온 주입기를 포함하여 여러 개의 12인치 집적 회로 장비를 판매할 것이라고 발표했다. 이온 주입기 총 거래 금액은 65억 8천만 위안에 달했다.

일곱 번째는 반도체 테스트 및 측정 장비이다. 이 장비는 칩의 공정 성능에 부정적인 영향을 미치는 입자 오염, 표면 긁힘, 개방 및 단락, 기타 특징적 구조적 결함과 같은 웨이퍼 표면 또는 회로 구조의 이질성을 감지하는 것을 의미한다. 필름 두께, 주요 치수, 식각 깊이 및 표면 지형과 같은 물리적 매개변수 측정과 같은 웨이퍼 회로의 구조적 치수 및 재료 특성을 진단한다.

글로벌 반도체 시험·측정장비 시장은 미국 켈레이반도체, 어플라이드 머티어리얼즈, 일본 히타치 등 제조사가 주로 점유하고 있다.

VLSI 리서치 통계에 따르면 테스트 및 측정 장비 분야에서 켈레이의 전체 시장 점유율은 50.8%를 차지하고 있으며 어플라이드 머티어리얼즈(12%), 히타치(9%), 이노베이티브 테크놀리지(6%) 등이 있다.

중국의 반도체 테스트 및 측정 장비 제조업체는 주로 중꿔 피스(Zhongke Feice), 상하이 징스(Shanghai Jingce), 상하이 루이리(Shanghai Ruili) 등이며 주로 기존 테스트 제품의 장점에 의존하여 반도체 분야로 제품을 확장하고 있다.

장추안 테크놀로지, 사이텅, 톈준 테크놀로지 등도 STI, 옵티마, 무에텍 등 해외 기업 인수를 통해 반도체 테스트·계측 장비 시장에 진출했다. 현재 반도체 검사·측정장비 중국 자급율은 10% 미만이다.

여덟 번째는 열처리 장비이다. 열처리는 반도체 제조 공정의 산화, 확산 및 어닐링 공정에 적용되며 포함되는 장비는 수평로, 수직로 및 급속온도상승로(RTP)이다. 열처리 장비는 반도체 제조 장비의 약 3%를 차지한다.

현재 글로벌 반도체 열처리 장비 시장은 미국과 일본 업체들이 독점한다.

가트너 데이터에 따르면 2020년 어플라이드 머터리얼즈, 도쿄전자, 히타치가 전 세계 열처리 장비 시장의 약 70%를 차지한다.

중국은 열처리 장비 제조업체 이탕이 11%, 카큐사이 일렉트릭, 비코와 스쿨링이 각각 9%, 6%, 4%를 차지하고 있다.

아홉 번째 장비는 반도체 테스트 장비이다. 반도체 테스트 프로세스에 필요한 장비에는 다양한 테스트 링크에 ​​해당하는 분류 기계, 프로브 기계, 테스트 기계, 광학 현미경, 결함 관찰 장비 등이 포함된다.

글로벌 반도체 테스트 장비 시장에서는 미국의 테라다인과 일본의 애드번이 주로 점유하고 있다.

SEMI 데이터에 따르면 2017년에 이 두 회사가 전 세계 87%의 시장 점유율을 기록했으며 그 중 테라다인이 시장의 약 50%를 차지했다.

중국의 반도체 테스트 장비 시장은 이들 두 기업과 미국 코후반도체(Cohu)에서 시장의 90%를 차지한다.

중국 반도체 테스트 장비 제조업체로는 화펑 테스트와 장촨 테크놀로지의 점유율이 각각 약 8%와 5%를 차지하고 있다.

열 번째는 웨이퍼 절단 장비이다. 글로벌 웨이퍼 절단 장비 시장은 주로 일본 업체들이 독점하고 있다.

자료에 따르면 2021년 반도체 웨이퍼 절단 장비 시장은 약 20억 달러인데, 이중 일본 디스코가 70%, 도쿄 세이미츠가 25% 가량을 점유했다. 중국의 자급율은 5% 정도로 극히 낮다.


그동안 중국은 메모리와 시스템 반도체 제조공정을 고도화하는 데 집중했다.

하지만, 미국의 최첨단 공정 제조장비와 소재, 칩 수출 규제가 본격화되자 최첨단 공정에 대한 자립보다는 우선 제조 장비와 소재 자급률을 확대하는 쪽으로 방향을 잡았다. 자체 연구개발을 비롯 글로벌 기업 M&A, 지분 확대 등에 막대한 자금을 투입했다.

하지만 이제 미국에 이어 일본과 네덜란드 등이 첨단 공정 외 장비와 소재 분야에 대해 대중국 수출 규제에 나서면서 중국은 고립무원의 지경에 놓여 있다.

이상 글로벌 시장 자료를 통해 10개 제조장비의 글로벌 시장 장악 현황과 중국의 자급률을 파악한 결과 중국의 자급률은 아직 극히 저조하다. 자체 시장 충족도 어렵고, 글로벌 시장에서 점유율은 형편없이 저조하다.

중국은 최첨단 공정을 따라잡는데 많은 시간과 돈이 투입되는 점을 고려해 이제 성숙 공정 개발에 주력한다. 그에 필요한 장비나 재료 자급률 향상에 큰 관심을 보인다.

중국은 다른 산업에서 보인 성공법칙처럼 반도체 산업에서도 양적인 성장을 토대로 질적인 고도화를 달성하는 전략을 구사하고 있다.

시장 전문가들은 시간과 돈이 더 소요될 것이지만 중국은 점차 자급률을 더 높여 나갈 것으로 본다. 이는 글로벌 시장을 상대로 하는 것이 아니라 자체 시장을 대상으로 하는 것이다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com