반도체산업이 성장세를 회복함에 따라 관련소재 수요가 호조를 보이고 있다.
그러나 세계적으로 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증)가 장기화되고 수출입이 어려워지면서 안정공급에 대한 요구가 높아지고 있다.
일본의 반도체용 화학소재 생산기업들은 수요지에서 생산체제를 강화하는 등 해외 설비투자에 박차를 가하고 있으며, 국내기업들은 일본에 대한 의존도를 낮추기 위해 개발을 강화하고 있다.
중국도 하이테크산업 육성을 가속화하면서 반도체, LCD(Liquid Crystal Display) 등 전자소재용 고순도 화학제품 생산을 확대하고 있다.
반도체 소재는 5G(5세대 이동통신), 데이터센터용 수요가 증가하고 있고, 특히 코로나19 사태 속에서 가파르게 성장하고 있으며, 화학기업들은 고기능 반도체 소재 개발 및 생산능력 확대를 통해 시장 선점에 박차를 가하고 있다.
SK‧ENF‧솔브레인 중심 국산화 박차
국내 전자‧반도체용 화학소재 생산기업들은 일본이 2019년 7월 불화수소, EUV(극자외선) 포토레지스트, 불소계 PI(Polyimide) 등 반도체‧디스플레이용 첨단소재를 대상으로 한국 수출을 규제한 이후 반도체 관련 화학소재 국산화에 총력을 기울이고 있다.
SK머티리얼즈는 초고순도(99.999%) 불화수소를 개발했고, SKC는 일본산 수입의존도가 90%를 넘었던 반도체용 하이엔드급 블랭크 마스크 양산에 성공했으며, SK실트론도 일본 섬코(Sumco)가 장악했던 로직용 7나노미터 에피텍셜 웨이퍼를 개발했다.
ENF테크놀로지, 램테크놀러지, 솔브레인 등도 불소계 반도체 소재 국산화를 추진하고 있다.
일본기업들도 국내기업의 국산화 노력에 따라 대응책 마련을 적극화하고 있다.
아데카(ADEKA)는 일본산 원료를 조달해 국내에서 생산했으나 최근 수요기업들이 일본산 채용을 기피하면서 중국, 러시아산 조달을 본격화하고 있다.
국내시장에 불화수소를 대량으로 공급했던 스텔라케미파(Stella Chemifa)는 한국 매출비중이 30-40%에 달했지만 일본 정부의 수출규제 이후 6개월 동안 출하량이 전무했고 2020년 4-12월에는 다소 회복됐으나 한국비중이 10% 정도에 그친 것으로 알려졌다.
스텔라케미파는 중국에서 들여온 불화수소(2HF)를 독자적으로 정제해 12N(99.9999999999%)까지 초고순도화할 수 있는 기술을 보유하고 있으나 한국 사업이 타격을 받으면서 최근에는 일본시장을 집중 공략하고 있다.
불화수소 메이저인 모리타케미칼(Morita Chemical)도 2019년부터 일본 정부에 한국 수출을 허용해달라고 요청했으나 허가를 받지 못한 것으로 알려졌다. 하지만, 2021년에는 저장성(Zhejiang)의 Morita New Materials을 통해 한국에 고순도 불산을 수출할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
일본기업들은 삼성전자, SK하이닉스가 한국에만 공장을 두고 있는 것이 아니기 때문에 국내기업들이 진출한 지역을 중심으로 글로벌 공급체제 구축에 박차를 가하고 있다.
포토레지스트, EUV 양산으로 수요 호조
반도체 패턴을 형성하는 포토레지스트는 불화아르곤(ArF)과 함께 싱글 패터닝이 도입된 극자외선(EUV) 수요가 확대되고 있다.
DRAM은 GDDR5가 실용화되고 세선화가 강화되고 있으며 낸드플래시(Nand Flash) 메모리는 176층까지 다층화됨과 동시에 후막화됨에 따라 불화크립톤(KrF)과 함께 i선 레지스트 채용이 늘어나고 있다.
전자회로기판(PCB) 미세화에 따라 반도체 기술 도입도 기대되고 있다.
EUV 포토레지스트는 신에츠케미칼(Shin-Etsu Chemical)과 JSR이 양산체제를 강화하고 있다.
TOK는 5나노미터를 수주해 생산능력을 확대하기 위한 준비를 진행하고 있고, 최근에는 3나노미터 노드 실용화, 2나노미터 개발을 시작해 2025년 무렵 보급이 본격화될 것으로 예상하고 대응책 마련에 나서고 있다.
후지필름(Fujifilm)은 일본 시즈오카(Shizuoka) 공장에서 최첨단 평가장치를 가동하기 시작했고, 스미토모케미칼(Sumitomo Chemical)도 오사카(Osaka) 공장에 새로운 평가장치를 도입하는 등 개발체제를 강화하고 있다.
반도체산업이 회복세를 나타냄에 따라 ArF 액침, ArF 및 KrF 시장도 안정적으로 성장하고 있어 일본기업들은 표면균일성, 품질관리 등을 향상함과 동시에 한국 등 수요지 생산체제를 강화해 아시아 시장점유율을 끌어올리겠다는 목표를 세우고 있다.
PCB, IC기판 세선용 레지스트도 주목받고 있다.
Showa Denko Materials는 선폭 5마이크로미터까지 드라이 필름으로 대응할 수 있을 것으로 판단하고 있으며 액체 레지스트와 필름의 경쟁이 치열해질 것으로 예상된다.
고순도약품, 중국‧타이완서 생산능력 확대
고순도 약품은 제조 프로세스 미세화, 구조 복잡화의 영향으로 안정공급과 함께 수요처 니즈에 대한 신속한 대응능력이 요구되고 있다.
2020년 4월 반도체본부를 신설한 미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical)은 생산제품, 기술, 서비스를 종합한 MCSS 브랜드를 통해 원스톱 솔루션을 제공하고 있다.
고순도 약품은 2020년 타이완 생산능력을 50% 확대하는 공사를 시작했다. 대상은 고순도 암모니아수, 고순도 황산, 고순도 과산화수소로 2021년 완공을 목표로 하고 있다.
에칭에 필수적인 고순도 불산(HF)도 증설이 잇따르고 있다.
스텔라케미파는 반도체용 약액 생산능력을 10만5000톤으로 확대하는 공사를 완료했고, 모리타케미칼은 2020년 초 중국 자회사 Morita New Materials에 고순도 불산 2만톤 및 BHF(Buffered HF) 2만톤 생산체제를 구축했다.
도쿠야마(Tokuyama)는 타이완과 전자용 IPA(Isopropyl Alcohol) 합작기업을 설립하고 프로필렌(Propylene) 조달부터 IPA 생산까지 현지에서 일관생산체제를 구축하기 위한 준비를 진행하고 있다. 2022년 가동을 목표로 오퍼레이션 효율화, 장기적인 수요 호조에 대한 대응을 추진할 방침이다.
고순도가스, 한국 중심으로 설비투자 강화
고순도 가스는 반도체산업이 회복됨에 따라 수요지에 대한 투자가 잇따르고 있다. 코로나19의 영향으로 현지화를 통한 안정공급에 대한 요구가 높아지고 있기 때문이다.
일본 고순도 가스 생산기업들은 한국, 중국, 타이완에서 생산체제를 강화하고 있다.
쇼와덴코(Showa Denko)는 중국 Shanghai Showa Electronics Materials에서 2021년 하반기 준공을 목표로 No.2 공장 건설을 시작했다. 실리콘웨이퍼 표면 산화에 이용하는 고순도 아산화질소(N2O) 1000톤, 에칭용 고순도 옥타플루오로사이클로부탄(C4F8) 6000톤 설비와 고압가스 위험물 창고를 건설하고 있다.
타이완에서는 타이난(Tainan) 소재 Taiwan Showa Chemicals Manufacturing이 새롭게 C4F8 150톤 설비를 도입할 계획이다.
쇼와덴코는 그룹 전체적으로 고순도 N2O 생산능력을 1.5배, 고순도 C4F8 생산능력을 2.5배 확대할 방침이다.
한국에서는 SK그룹과 합작으로 고순도 모노플루오로메탄(CH3F) 생산능력을 약 2배 확대하고 생산품목을 확충하는 프로젝트를 추진하고 있다.
칸토덴카(Kanto Denka Kogyo)는 천안 공장을 강화하고 있다. 에칭가스인 황화카보닐(COS) 40톤을 생산하기 시작했으며 사불화수소 충진설비도 설치했다. 앞으로는 공장에 구축한 연구개발(R&D) 체제를 첨단기술 탐색에 활용하고 불소 관련제품을 생산하는 No.2 공장 건설도 검토할 계획이다.
중국기업도 설비투자를 추진하고 있다.
켐차이나(ChemChina) 산하 Haohua Chemical Group은 반도체용 불소계 특수가스 공장을 건설하고 있다. 삼불화질소(NF3) 3000톤, 사불화탄소(CF4) 1000톤, 육불화텅스텐(WF6) 600톤 생산체제를 구축할 계획이며 2022년 생산을 시작할 예정이다.
CMP, 원판 평탄화 니즈에 대응
반도체 원판 평탄화 작업에 필요한 CMP(Chemical Machanical Polishing)는 회로배선 미세화 및 다층화에 따라 니즈가 높아지고 있다.
CMP 슬러리는 평탄성 및 내흠집성 향상, 사이클 단축을 위해 연마패드와의 상성이 중요하며 연마 부스러기, 슬러리 잔사를 제거하는 포스트 CMP 슬러리도 수율을 좌우하는 소재로 주목받고 있다.
일본에서는 JSR이 CMP 슬러리, 포스트 CMP 슬러리를 모두 생산하고 있으며 후지필름은 와코케미칼(Wako Chemical)을 인수한 후 CMP 슬러리와 포스트 CMP 슬러리를 조합한 솔루션을 공급하고 있다.
레지스트 생산기업인 JSR과 후지필름은 프로세스 소재에도 힘을 기울여 반도체 사업 포트폴리오를 강화하고 있다.
AGC는 로직용 부가가치 분야에서 CMP 슬러리 공급을 확대하고 있으며, EUV용 마스크 블랭크도 생산하고 있어 최첨단 분야에 대한 공략을 강화할 방침이다.
Showa Denko Materials는 쇼와덴코의 소재 개발능력을 활용해 CMP 슬러리 고성능화에 힘을 기울이고 있으며 반도체 후공정에서도 CMP 프로세스가 증가할 것으로 판단하고 대응방안을 모색하고 있다.
연마패드는 다우케미칼(Dow Chemical)이 압도적인 점유율을 확보하고 있는 가운데 쿠라레(Kuraray)가 무발포 폴리우레탄(Polyurethane)을 이용한 고경도 패드로 차별화를 추진하고 있다.
JSR은 슬러리에 대한 노하우를 활용해 수요처 니즈에 맞춘 연마패드를 공급하고 있으며 테이진프론티어(Teijin Frontier)는 초극세섬유 Nanofront 베이스 부직포를 이용한 연마패드를 개발해 시장을 개척하고 있다.
FPC, 5G 대응소재 개발 가속화
FPC(Flexible Printed Circuit)는 5G에 대응한 기술혁신이 가속화되고 있다.
핵심소재인 필름은 고속‧대용량 통신을 실현하기 위해 저유전율 및 저유전정접이 요구되고 있어 다양한 소재 개발이 이루어지고 있다.
높은 내열성을 보유한 PI(Polyimide)는 대표적인 FPC용 소재로 최근에는 5G에 대응한 변성PI(MPI) 개발이 활발해지고 있다.
일본 메크트론(Mektron)은 2020년 LCP(Liquid Crystal Polymer)와 동등한 고주파 특성을 보유한 MPI 베이스 FPC 양산체제를 확립했다.
닛토덴코(Nitto Denko)는 PI와 다공질화 기술을 조합해 PTFE(Polytetrafluoroethylene), LCP를 능가하는 저유전율을 보유한 다공질 PI필름을 개발했다.
Sumitomo Electric Industries는 2020년 PTFE 베이스 FPC 양산화에 성공함에 따라 데이터센터, 5G 기지국, 단말기기 안테나 등에 대한 적용을 추진하고 있다.
불소 생산기업도 대책을 강화하고 있다.
접착성이 뛰어난 PTFE를 공급하고 있는 AGC는 중심소재로 PI 및 MPI, LCP를 이용하고 구리박과의 접착에 고밀착 PTFE를 채용함으로써 고주파 대응이 가능한 것을 파악되고 있다.
마찬가지로 접착성이 뛰어난 불소수지 필름을 생산하는 다이킨(Daikin)도 5G에 대한 대응을 추진하고 있다.
봉지재, 미세화 대응에 열 대책 주력
반도체 기기는 1개 칩에 여러 기기를 복합시키는 헤테로 집적화에 따라 재배선층 미세화가 이루어지고 있으며 로직 코어가 증가하면서 OC(Overclocking)가 진행됨에 따라 열 대책의 중요성이 강조되고 있다.
집적화의 영향으로 FoPLP(Fan Out Panel Level Package)를 포함한 새로운 실장기술도 확대될 것으로 기대되고 있다.
반도체 봉지재 생산기업들은 중국 등 성장시장을 개척함과 동시에 5G(5세대 이동통신)를 포함한 고주파에 대응하는 등 고부가가치화에 힘을 기울이고 있다.
미츠비시케미칼은 고형 페놀(Phenol)계 경화제를 개발했다. 초저점도, 저흡수성을 보유하고 있으며 경화 후 열전도율이 높아 필러 고충전이 가능한 것으로 파악되고 있다. 배선이 미세화되면서 필링을 위한 저점도화에 대한 니즈가 높아지고 있어 수요처를 대상으로 평가를 진행할 계획이다.
Sumitomo Bakelite(SBC)는 MuF(Mold under Fill) 방식 봉지재 생산능력을 50% 확대했으며 일본 후쿠오카(Fukuoka), 중국 쑤저우(Suzhou)에 이어 타이완에도 생산체제를 구축해 고주파 디바이스와 수동부품 등을 결합시킨 SiP(System in Package), 플립칩 기술 수요 증가에 대응할 방침이다.
Nippon Kayaku는 중국 쑤저우 소재 현지법인을 통해 에폭시수지(Epoxy Resin) NC-3000 시리즈를 파워반도체용으로 공급하고 있다. NC-3000 시리즈는 난연성, 내열성, 용해성이 뛰어난 특징이 있어 자동차 탑재용 등으로 채용을 기대하고 있다.
Nippon Steel Chemical & Material(NSCM)도 에폭시수지를 공급하고 있으며 선팽창률 및 흡수율을 낮추기 위한 용도로 점도가 낮은 결정성 에폭시수지를 이용한 필러 고충진을 제안하고 있다.
금속, 미세화로 구리 대체소재로 주목
최근에는 구리 대체소재로 금속이 주목받고 있다.
반도체 위탁생산기업들은 스패터링, 증착, 화학증착공법(CVD), 원자층증착공법(ALD) 등 다양한 수단을 이용해 새로운 구조에 도전하고 있으며 소재 생산기업도 안정공급체제 구축 및 신소재 개발에 주력하고 있다.
JX Nippon Mining & Metals는 타이완에서 스패터링 타깃 후공정을 약 2배로 증설하고 있다. 리사이클 원료 회수 사업도 강화할 계획이며 2021년을 목표로 최종 마무리 등의 기계가공능력도 대폭 확대해 납기를 단축할 방침이다.
자회사인 Toho Titanium은 일본 가나가와(Kanagawa) 공장 경쟁력을 강화하기 위해 전자빔 방식 용해로 재가동에 이어 분석센터 건설을 추진하고 있다.
Tanaka Kikinzoku는 CVD/ALD용 루테늄 프리커서를 개발했다. 기존제품에 비해 100배 이상 높은 증기압으로 안정적인 막 형성이 가능한 것으로 파악되고 있다. 루테늄은 저저항성, 고내구성을 겸비한 귀금속으로 트랜지스터 게이트용 전극, 디램 캐퍼시터용 전극 등으로도 검토가 이루어지고 있다.
일본기업, 타이완 중심으로 공급체제 다원화
미쓰이케미칼(MCC: Mitsui Chemicals)은 글로벌 시장점유율 1위를 확보한 실리콘(Silicone) 웨이퍼 보호 소재인 Icros Tape 수요가 앞으로도 계속 증가할 것으로 판단하고 타이완에 2번째 공장을 건설하는 방안을 검토하고 있다.
미쓰이케미칼의 Icros Tape는 100% 자회사인 Mitsui Chemicals Tohcello가 생산하고 있으며 반도체 제조공정의 핵심소재로 부상하고 있다. 실리콘 웨이퍼 뒷면을 연삭할 때 회로면을 보호하는 테이프로 투입돼 세계 시장점유율 1위를 달리고 있다.
휴대폰 단말기 시장 성장을 타고 수요가 급증했으며 최근에는 5G나 데이터센터 등 디지털 사회 정착과 관련된 분야에서 수요가 늘어나고 있다.
미쓰이케미칼은 수요 증가에 대응하기 위해 타이완에 2번째 공장을 건설함으로써 일본 나고야(Nagoya) 공장과 함께 안정적인 공급체제를 구축하는 것을 목표로 하고 있다.
현재는 나고야에서 기재 생산과 코팅을, 타이완에서는 코팅만을 실시하고 있으나 타이완에 신규공장을 건설함으로써 현지 생산능력을 50% 이상 확대하고 일본 생산제품을 대체할 계획이다. 
기존 타이완 공장 인근 부지를 확보했으며 2021년 3월 이전에 최종투자결정을 내릴 방침이다. 완공 후 전체 생산능력은 30% 정도 확대될 것으로 예상하고 있다.
미츠비시케미칼은 최첨단 에칭이나 세정공정에서 요구되는 고순도 약품인 EL 약품에 투자하고 있다.
EL 약품은 일본 후쿠오카(Fukuoka) 사업장과 오나하마(Onahama) 공장, 타이완 공장에서 생산하고 있으며 타이완은 2021년 완공을 목표로 생산능력을 50% 확대하는 증설 공사를 추진하고 있다. 앞으로 고순도 암모니아수와 타이완에서만 생산하는 고순도 황산, 고순도 과산화수소 등을 확충함으로써 경쟁력을 강화할 방침이다.
후쿠오카에서는 합성석영 신규 생산라인을 건설해 생산능력을 40% 확대할 예정이다. 2021년 상업가동을 목표로 하고 있다.
스미토모케미칼은 오사카(Osaka) 공장에서 점유율 1위를 확보한 ArF 액침용 레지스트 증설을 추진하고 있으며 새로 개발한 EUV(극자외선) 레지스트도 2020년 가을부터 양산을 시작했다.
중국, 2030년 중국산 비중 40%로 확대
중국도 전자용 화학소재 국산화에 박차를 가하고 있다.
중국 전자소재공업협회에 따르면, 중국은 웨트케미칼 생산량이 2012년 18만7000톤에서 2018년 49만5000톤으로 확대해 연평균 17.6% 성장한 것으로 나타났다.
웨트케미칼 시장은 2018년 70억위안에서 2022년 136억위안으로 대폭 확대되고 수요도 90만톤에서 167만톤으로 증가할 것으로 예상되고 있다.
컨설팅기관 IBS는 글로벌 반도체 수요 가운데 중국이 차지하는 비중이 2019년 53%에서 2030년 58%로 높아지고, 중국 반도체 서플라이 체인에서 중국산 비중이 2030년에는 40%대에 달할 것으로 예측하고 있다.
중국은 반도체용 화학제품 대부분을 수입에 의존하고 있으나 Juhua 그룹, 사이노켐(Sinochem) 계열 Jiangsu Sinopure Electronic Materials, China South Industries 그룹 등 국영 대기업들이 기술개발에 박차를 가하며 국산화에 속도를 내고 있다.
특히, 앞장서고 있는 것은 쑤저우(Suzhou) 소재 Crystal Clear Chemical로 레지스트와 웨트케미칼 분야에서 영향력을 확대하고 있으며 반도체산업이 집적된 후베이성(Hubei)을 중심으로 대규모 생산기지 건설을 추진하고 있다.
후베이성은 중국 반도체 메이저인 Yangtze Memory Technologies(YMTC)와 홍하이(Hon Hai) 산하 폭스콘(Foxconn), 티안마(Tianma), 패널 메이저인 BOE 등의 공장이 집적돼 있다.
다운스트림 발전을 계기로 후베이성 중심부에 위치한 첸장시(Qianjiang)에서는 업스트림 전자소재 생산기지 건설 프로젝트가 잇따르고 있다.
Crystal Clear Chemical이 생산기지 건설 주도
전자용 화학소재 프로젝트는 Crystal Clear Chemical이 주도하고 있다.
첸장시 정부, 정부계 대형펀드인 후베이성 장강경제벨트산업기금과 함께 기금을 창설했으며 Crystal Clear Chemical 자체적으로도 30%를 출자한 것으로 알려졌다. 15억위안(약 2400억원) 이상을 투자해 첸장시에 반도체와 LCD용 전자소재 생산기지를 건설할 예정이다.
반도체 그레이드 과산화수소와 암모니아수, 각종 레지스트를 생산할 방침이며, 중국을 대표하는 전자소재 산업기지를 형성함으로써 반도체산업 발전에 기여하는 것을 목표로 하고 있다.
Crystal Clear Chemical은 1976년 설립된 쑤저우중학교의 포토레지스트 연구실이 기원이며 1990년대부터 일본기업과 연계하며 기술력을 확보해왔다.
1993년 제온(Zeon), 마루베니(Marubeni)와 합작해 레지스트 생산기업을 설립했으며 제온의 기술을 공여받아 LCD 디스플레이와 IC용 g선(436나노미터)용 레지스트 생산에 착수했다.
2001년에는 현재의 회사명으로 변경했고 합작관계를 해소한 다음 2017년 5월 선전(Shenzhen) 증권거래소에 상장했다.
이후 사업범위를 레지스트를 비롯해 황, 암모니아수, 과산화수소 등 웨트케미칼 뿐만 아니라 바인더와 NMP(N-Methylpyrrolidone) 등 배터리 소재로도 확장했으며 반도체 메이저는 물론 자동차용 배터리를 생산하는 CATL와 전기자동차(EV) 메이저인 비야디(BYD)까지 수요기업으로 확보하고 있다.
2020년에는 매출액이 10억위안(약 1600억원)에 달한 것으로 추정하고 있다.
고도의 미세기술이 요구되는 반도체용 화학제품 분야에서는 웨트케미칼을 중심으로 기술력을 갖추고 있다.
과산화수소와 암모니아수는 반도체 그레이드인 SEMI‧G5(10ppt)를 취득해 YMTC와 파운드리인 Hua Hong Semi 등에게 공급하고 있다.
2020년 12월에는 일본 미츠비시케미칼의 기술을 도입해 고순도 황산 3만톤 공장을 완공했고 3공장까지 건설해 생산능력을 9만톤으로 확대할 계획이다. 반도체 그레이드 황산도 라인업에 추가한 것으로 알려졌다.
고순도 황산 생산을 담당하고 있는 Jiangsu Yangheng은 일본 마루베니와의 합작기업이다. 마루베니와는 레지스트 분야에서도 합작투자를 진행하고 있으며 2018년 7월 반도체 소재 제조‧판매 분야에서 연계하기로 협정을 체결하는 등 관계를 심화하고 있다. 
레지스트는 i선(365나노미터)용을 사업화했고 KrF 248나노미터는 시험생산 및 샘플 출하 단계에 돌입했다. ArF 193나노미터도 사업화할 방침이며 개발을 위한 노광기 구입도 완료한 것으로 알려졌다.
Crystal Clear Chemical은 쑤저우의 사업기반을 바탕으로 기존사업의 지역적 확대에 주력하고 있다.
장강 경제벨트를 주축 삼아 반도체산업 집적지마다 생산기지를 건설할 방침이며 후베이성 프로젝트도 계획의 일환으로 파악되고 있다.
2020년 쓰촨성(Sichuan)의 메이산시(Meishan)에 Crystal Clear Meishan을 설립하고 과산화수소를 중심으로 LiB(리튬이온전지) 소재 생산에 주력하고 있으며, 안후이성(Anhui)의 마안산시(Maanshan)에서는 폐액 처리 사업에 진출해 반도체 제조용 용제 회수 및 리사이클 설비를 건설하고 있다.
제14차 5개년계획(2021-2025년) 기간 동안에는 기술력과 생산기반을 함께 확충하고 2025년 매출액을 20억위안으로 2배 이상 확대할 방침이다. 소재 기술이 우수한 일본기업과의 협력을 강화하면서 합작투자도 계속 확대해나갈 예정이다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
