반도체 소재 기업 탐구: 동진세미켐 2 - 기술 경쟁력 확보되었나?

동진세미켐의 매출 절반 이상을 차지하고, 앞으로도 생존에 핵심적인 역할을 하는 제품이 포토레지스트이다. 동진세미켐은 과연 포토레지스트의 기술적 측면에서 경쟁력을 보유하고 있으며, 이를 바탕으로 실적 향상이 계속될 수 있는지 생각해볼 필요가 있다.

 

1. 포토레지스트란?

 

포토 레지스트(감광액)는 반도체 제조의 첫 단계인 노광(露光·Photo) 공정에 필요한 소재다. 이는 사진을 찍듯이 반도체 원판인 웨이퍼에 빛을 쏴 원하는 모양의 회로를 그리는 공정이다.

 

먼저 웨이퍼 표면에 포토 레지스트를 바른다. 회로를 그린 마스크를 웨이퍼 위에 씌우고 빛을 쏘면 회로 모양을 제외한 나머지 포토 레지스트를 바른 부분은 사라진다. 포토 레지스트가 빛과 반응해 화학 결합이 끊어지며 사라지는 것이다. 포토 레지스트를 감광액이라고 부르는 이유다. 쉽게 보면 빛에 노출되기 전인 옛날 필름에 발라진 감광액과 같은 원리다.

 

포토레지스트는 기능성 고분자 레진을 비롯해 감광성 물질 혹은 광민감성 산 발생제, 산발생 조절제 그리고 추가 첨가제들이 일정비율로 용매에 잘 녹아 있는 상태의 유기 패터닝 물질이다. 따라서, 포토레지스트는 빛에 의해 화학적 특성이 변하는데, 종류에 따라 빛을 받으면 딱딱해지거나, 반대로 녹기 쉽게 변한다. 이러한 포토레지스트의 형질 변화를 이용해, 약해진 부분만 선택적으로 제거함으로서 회로로 사용할 부분과 아닌 부분을 구분해 미세한 회로 패턴을 판화처럼 입체적으로 깎아 만들며, 이 기법을 포토리소그래피라고 하는 것이다.

 

포토 레지스트는 반도체 공정 뿐 아니라 디스플레이 공정에도 쓰인다. 반도체는 실리콘 웨이퍼 위에 여러가지 금속 및 세라믹 물질을 박막(Thin Film)으로 입히고 패턴하여 만드데, 디스플레이에서도 반도체와 비슷한 공정으로 박막트랜지스터(Thin Film Transistor:TFT)와 같은 회로 소자를 실리콘 웨이퍼 대신에 유리판에 성형하기 때문이다.

 

 

포토리소그래피 공정에서 포토레지스트는 TFT 기판 위에 얇게 도포되는 방식으로 사용된다. 이후 전자 회로 패턴을 그릴 부분과 나머지 부분을 구분하는 포토마스크(Photomask)를 포토레지스트 위에 덧댄 후 빛을 비추면, 포토레지스트는 빛을 받은 부분과 아닌 부분의 특성이 달라지게 되며, 특성이 달라진 두 영역간의 용해도 차이를 이용해 용해가 수월한 포토레지스트를 현상공정(Development)을 통해 제거한다.

 

포토레지스트가 사라진 영역에 남아있는 증착 물질은 식각공정(Etching)을 통해 제거되며, 남겨진 포토레지스트 하부의 증착 물질은 포토레지스트의 보호를 받아 그대로 유지된다. 마지막으로는 실제 회로의 소재 역할을 하는 증착 물질만 남기고, 역할을 마친 포토레지스트는 박리해 제거한다.

 

국내업체로는 동진쎄미켐과 금호석유화학(최근 SK머티리얼즈가 이 사업부분을 인수했다), 영창케미칼이 존재한다. 해외업체들은 PR사업 초창기는 미국 다우케미칼, 일본의 JSR, TOK, 스미토모화학, 후지필름 등이 기술개발을 했으나, 현재  KrF 이하의 PR은 JSR이나 TOK 정도만 사업을 유지하고 있다.

 

2. 포토레지스트의 종류

 

포토레지스트는 포지티브(Positive)형과 네거티브(Negative)형으로 나뉘는데, 포지티브는 빛을 받은 부분이 현상액에 용해되며, 네거티브는 반대로 빛을 받지 않은 부분이 용해되는 특징을 갖으므로, 필요에 따라 선택적으로 사용된다.

 

 

포토레지스트는 사용되는 광원의 종류에 따라서도 제품이 구분되며, 광원의 파장에 따라 ▲g-line (436nm) ▲i-line (365nm) ▲ KrF (248nm) ▲ArF (193nm), ▲ArF 액침 (193nm) ▲EUV (13.5nm)로 구분된다.

 

주요 성능을 좌우하는 critical layer에 적용되는 PR 소재의 경우 현재 EUV 광원(13.5 nm)이나 ArF 광원(193 nm)을 이용한 액침법, 다중 노광 패터닝법 등을 적용해 10 nm 수준의 패턴을 형성하는 수준에 이르고 있다.

 

반도체의 집적도와 미세공정 수준을 결정하는 Critical layer에 적용되는 PR은 반도체의 선폭을 줄이는데 가장 중요한 소재로, 집약적 고분자, 유기 및 나노 기술력이 필요한 소재이다. 특히 반도체 선폭 축소에 가장 중요한 요소인 광원의 경우 이미 EUV(13.5 nm)에 도달했으나, 아직 이를 이용해 유기 패턴을 양산에 적용할 만큼의 생산성이 확보된 PR 기술이 완전히 개발되지 않아, 전 세계의 전자소재 업체들이 지속해서 PR 소재 기술을 확보하기 위해 노력하고 있다.

 

i-line PR을 이온 임플란트 마스크로 Si의 특정지역에 dopant이온을 주입하는 방법을 나타낸 개념도

특히, 10nm 이하의 초미세 패터닝 시대로 들어가고 있는 반도체 업계에서는 광원의 한계를 극복하며 초미세패턴을 형성하기 위해 다중노광법과 다중패터닝법이 필수적이기 때문에, 이에 따른 보다 많은 최신 PR 소재 사용이 요구될 것으로 예상하고 있다.

 

많은 기술 개발비가 요구되는 이러한 최신 PR은 가장 부가가치가 높은 고가의 전자 소재로 다우케미칼, 후지필름, ToK, 시네츠, 스미토모 등 글로벌 수준의 PR 제조 회사들이 시장을 선점하고 있는, 기술 진입장벽이 매우 높은 유기 소재 기술 분야이다.

 

국내 소재 업체들이 주력하는 i-line PR은 critical layer에 적용되는 고가의 PR기술은 아니지만, 반도체 제조에 있어 없어서는 안 되는 필수적인 PR 소재이다.

 

i-line negative PR 기술은 정립된 지 20여년 이상 된 기술 분야로, 화학적으로 특이한 소재를 새로 사용하는 기술이라기보다, 사용 목적에 맞게 기존에 사용되던 조성물들을 조합하는 기술이다. 이런 기술들은 보통, 각 업체가 가지고 있는 고유의 노하우성 기술로, 고객사에서 요구하는 적용 디바이스와 layer의 특징에 따라 미세조정을 통해 제공된다.

 

3. 포토레지스트 기술적 측면에서의 동진세미켐 실적 전망과 과제 

3.1. KrF PR 수요의 구조적 증가

 

현재 동진세미켐의 주력 제품은 KrF PR이다. 이 KrF PR은 DRAM이나 Logic 보다 미세화 공정 난이도가 더 낮은 3D NAND 공정에서 많이 사용되고 있다. 3D NAND 공정에서는 3D 단수를 증가시키는 것이 NAND Flash memory의 용량을 높이는데 중요한데, 이를 위해서는 도포되는 PR의 두께를 증가시켜야 한다.  

 

도포시 PR의 두께를 증가시키기 위해서는 점도가 높아야 하는데, 동진세미켐은 2013년 이전부터 국내 반도체 고객사들과 함께 3D NAND용 고점도 KrF PR을 개발하여 현재 국내 고객사의 주력 3D NAND 공정(V6 이상)에 매우 높은 점유율로 공급하고 있다.

2019년 기준으로, 동진세미켐의 KrF PR의 매출은 약 800억원으로 추정되며, 이는 향후 다음과 같은 요인으로 더욱 증가할 것으로 보인다.

 

1) 3D NAND의 단수 증가,

2) 2021년부터 고객사의 2 Stacking 기술 도입에 따른 Mask 공정 급증,

3) 주력고객사의 시안2 공장 본격 가동에 따른 수요 증가,  

 

현재 96단 이상의 3D NAND는 eSSD 수요 증가에 따라 증가할 것으로 예상되며, 128단 이후에서도 지속적으로 KrF PR을 사용할 것으로 예상된다. 

 

물론 3D NAND의 적층 숫자에 따라 KrF PR의 수요를 정확하게 예측할 수는 없지만, IC Knowledge에서 발표한 '2020 3D LithoVision' 자료에 의하면, 3D NAND용 마스크 사용 갯수는 2020년 평균 약 48개에서 2021년 58개로 약 21% 증가할 것으로 전망하고 있다. 

특히, 삼성전자의 경우, 기준에 1 stacking 기술을 고수하면서 마스크 공정 횟수가 적었었는데, 2021년부터는 172단 로드맵 V7 공정부터는 더블 stacking 기술을 도입함에 따라 타 업체들보다 더 많은 마스크 숫자 증가가 동반될 것으로 보인다.

 

추가적으로 향후 128단 이후의 3D NAND에서는 2 stacked 이후의 로드맵에 대한 논의가 진행 중이다. 삼성전자가 2021년에 더블 stacking으로 진입한다면, 타 업체들은 중장기적으로는 더블 stacking 이상의 Multi-stack NAND 구축과 이로 인한 Mask 및 Layer 수 증가가 필연적으로 이어질 것으로 예상된다. 3D NAND 고단화에 따른 Stack증가와 이로 인한 KrF PR 증가 추세는 2020년 이후로 더 가속화될 것으로 보인다.

 

여기에 삼성전자의 시안2 공장의 1기와 2기(각각 65k)의 램프업에 따라 수요 증가는 더욱 늘어날 것이다.

 

 

일본의 선도업체인 TOK 역시 자사의 주력 제품으로 3D NAND 용 Thick Film KrF를 밀고 있으며, EUV용 PR이나 ArF PR 보다도 2021년까지 단기적으로는 KrF용 PR의 수요가 주된 성장 동인이 될 것으로 전망하고 있다.

 

 

3.2. ArF Immersion PR성장의 원년

ArFi PR의 경우, 일본의 JSR, TOK, 신에츠화학이 아직까지 과점하고 있는 시장으로, 국산화비중이 매우 낮은 영역이다.

 

동진세미켐의 경우, ArF PR을 국내 최초로 2010년 개발 완료했으나, 올해 1분기가지 매출 비중은 약 5%에 불과하다. 그러나, ArFi PR은 KrF PR에 비해 단가와 마진이 매우 높고, 이제 막 국내 고객사에서 매출과 점유율을 높여가고 있는 상황이다. 동진세미켐의 올해 연간 ArFi PR 매출액은 600~700억원으로 예상된다.(2019년에는 약 200억원)

 

이를 위해 PR 생산 공장의 CAPA를 늘리고 있으며, 삼성전자로부터 감가상각된 ArF 노광기도 저렴한 가격으로 도입하였다. PR 개발을 위해서는 실제 노광 공정에서 test 하면서 성능을 맞춰야 하는데, 이를 위해서 해당 미세공정 수준의 노광기 보유가 필수적이다. 일본의 선도 업체들은 모두 자체적으로 노광기를 보유하고 있다. 산업통상자원부에서도 230억원의 예산을 편성하여 ArFi PR의 국산화를 지원하겠다고 발표했다.

 

현재 동진세미켐의 ArFi PR은 DRAM 라인에만 적용되고 있는데, 중장기적으로는 DRAM 내 점유율 확대와 비메모리 라인으로까지 확대가 이어질 것으로 예상된다. 특히 ArFi는 글로벌 공급사 시장 자체가 과점화되어 있고, ArF가 아닌 ArFi는 국내에서 동진세미켐이 유일하게 양산 적용하고 있다.

 

3.3. EUV용 PR의 점진적 국산화

현재 삼성전자가 비메모리 라인에서 사용하고 있는 EUV용 PR은 일본 JSR과 벨기에 IMEC의 합작사인 RMQC가 생산하고 있는 것으로 추정된다. 일본의 수출 규제 때문에 상대적으로 자유로울 수 있는 벨기에 정부 산하의 비영리기관과 합작 방식을 통해 공급하는 것이다. 

 

실제로 벨기에산 PR 수입물량이 2019년 하반기부터 증가하면서, 일본으로부터의 PR 수입량 비중이 점진적으로 감소하고 있는 것이다. 일본 화이트리스트 수출 규제에서 포토레지스트의 경우 EUV용으로 한정하고 있기 때문에 사실 이 EUV용 PR이 진정한 수출규제 품목이다. 다시말해, 국산화가 진행되면 그 어떤 PR보다도 수입 대체 효과가 큰 제품인 것이다. 

 

현재 듀폰이 국내에 EUV용 PR 개발 및 생산 시설 구축을 발표한 바 있으나 (2021년까지 2,800만불 투자), 동진세미켐도 중장기 과제로 EUV PR 개발에 노력하고 있다. 참고로 원재료는 이엔에프테크놀로지가 개발에 참여하고 있다.

 

향후, 미세공정 진화와 마스크 숫자에 따라 PR의 수요 및 종류의 mix가 달라지게 되는데, Logic의 경우는 3nm에 진입 시(2021년 4분기 ~ 2022년) 마스크 숫자가 EUV 도입에 따라 20개 이상 증가한다. 사실 전체 마스크 숫자는 7nm에서 3nm로 이동하는 과정에서는 감소하며 이에 따라 KrF, ArF, ArFI 마스크 숫자와 PR 소모량은 감소하게 되는데, 그 다음으로 넘어가서 2nm이후로 진행되면 EUV 마스크 적용 횟수와 ArF, ArFi PR의 소모량은 다시 증가하게 된다.

 

다만, 1nm 부터는 KrF 사용은 하지 않게 되어 현재 주력인 KrF PR 수요에 타격을 줄 수 있어, 당분간은 괜찮겠지만 동진세미켐은 열심히 노력하여 ArF PR 이후의 고부가 제품으로 신속하게 비중을 확대해야 하는 상황이다.

 

동진세미켐의 건투를 빈다.

 

출처: 이베스트투자증권, 삼성디스플레이, 조선일보, IPDaily

 

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