일본이 TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturer)의 반도체 공장 유치에 총력을 기울이고 있다.
일본 정부는 반도체를 식량, 에너지 등과 동일 위치로 설정하고 경제적 안전보장 측면에서 TSMC 유치를 추진하고 있으나 서플라이체인이 정비되지 않아 첨단 반도체 공장 건설은 어려운 것으로 파악되고 있다.
최근에는 오히려 경쟁력 있는 반도체 소재 및 제조장치 생산기업이 해외진출을 가속화함으로써 공동화 현상이 발생할 것으로 우려되고 있다.
그러나 반도체 서플라이체인을 구축하려는 움직임은 미국과 중국의 무역마찰이 해소되지 않는 한 계속될 것이 확실시되고 있다.
일본은 반도체 소재 및 제조장치 생산기업들이 세계시장을 과점하고 있는 가운데 미국, 한국, 타이완 등 반도체 대국에 대한 공략을 강화하고 있다.

일본, TSMC 중심으로 해외기업 유치 “박차”
일본은 20년 전 메모리 경쟁에서 한국에 패배한 후 로직반도체로 반격을 꿈꾸며 경제산업성이 TSMC 유치를 추진하는 등 다양한 프로젝트를 진행하고 있다. 
TSMC도 2021년 7월 일본에서 반도체 공장 건설을 검토하고 있다고 발표했다. 다만, 스마트폰에 탑재되는 최첨단 프로세스는 아닌 것으로 파악된다.
일본은 오래전부터 첨단소재의 중요성을 인식하고 전자소재 메이저로 구성된 차세대 반도체 소재 기술연구조합(CASMAT)을 출범했으나 CASMAT는 대규모 수요처인 삼성전자를 확보하지 못해 결국 실패한 것으로 평가되고 있다.
반도체 소재 생산기업들은 삼성전자를 끌어들여 개발단계부터 협업하기를 희망했으나 경제산업성이 해외기업 참여를 원하지 않았던 것으로 알려졌다.
그러나 경제산업성은 최근 반도체 서플라이체인 확충을 목표로 해외기업 유치에 힘을 기울이고 있다.
일본은 최첨단 반도체를 사용하는 스마트폰, 서버 시장이 취약하고 유럽, 미국에 비해 예산이 매우 적어 글로벌 제휴가 필수적으로 요구되고 있다.
하지만, 일부에서는 반도체 소재 및 제조장치 생산기업이 세계시장을 선도하고 있음에도 내수시장이 성장하지 않아 생산설비를 해외로 옮길 수밖에 없고 핵심인 연구개발(R&D) 기능까지 해외로 이전함으로써 공동화 현상이 발생할 가능성이 크다는 의견을 제기하고 있다.

미국, 인텔‧삼성전자‧IBM 중심으로 투자 확대
세계 반도체 시장은 최근 유례없는 활황을 나타내고 있다.
화웨이(Huawei) 규제로 대표되는 미국과 중국의 무역마찰에 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증), 5G(5세대 이동통신), 자율주행, 사물인터넷(IoT) 등에 따른 수요 호조가 계속되고 있기 때문이다.
미국은 세계 반도체 생산량에서 차지하는 비중이 1990년 37%에서 2020년 12%로 떨어지자 이노베이션경쟁법, 칩스법을 통과시키고 520억달러에 달하는 재정 지원을 추진하고 있다.
한국, 중국, 타이완을 포함한 아시아 지역에 반도체 생산이 집중되는 것에 반발해 3대 메이저와 함께 대응하기 위한 전략으로 파악되고 있다.
인텔(Intel)은 TSMC가 진출을 결정한 애리조나(Arizona)에 약 20조원을 투입해 신규 공장을 건설할 계획이며, 삼성전자는 텍사스(Texas)에서 최첨단 프로세스 투자를 추진하고 있다. IBM은 2021년 5월 세계 최초로 차차세대에 해당하는 2나노미터 프로세스 반도체 칩을 발표했다.
TSMC는 미국에 진출함은 물론 앞으로 3년간 약 110조원을 투입해 타이완에 2나노미터 프로세스 공장을 건설할 예정이다.
K-반도체 전략을 추진하고 있는 한국에서는 삼성전자와 SK하이닉스가 위탁생산 및 반도체 메모리용을 대상으로 대규모 투자를 진행하고 있다.
첨단 제조장치 도입이 어려워진 중국은 칭화유니그룹(Tsinghua Uni Group)이 파산절차에 들어가고 화웨이가 5G 스마트폰 시장에서 고전하고 있으나 SMIC는 구 프로세스 반도체 공장을 100% 가동하고 있다.
중국 정부는 실리콘 반도체 프로세스 미세화가 어려워지자 질화갈륨(GaN) 등 화합물 반도체를 중시하는 방향으로 선회하고 있다.

TSMC, 일본에 후공정 R&D체제 구축
일본 경제산업성은 반도체 경쟁력을 강화하기 위해 TSMC를 지원하는 전략을 추진하고 있다.
글로벌 파운드리 시장을 석권하고 있는 TSMC의 기술력을 확보하기 위해 첨단 프로세스 공장을 유치할 계획이었으나 현시점에서는 후공정 R&D 체제 지원에 머무르고 있다.
장기적인 관점에서 TSMC의 경쟁력이 유지될지, 1사에 편중된 체제가 비즈니스에 어떠한 영향을 미칠지 의문시되고 있는 가운데 타이완을 둘러싼 국제정세 등도 불안요소로 자리 잡고 있으나 반도체 프로세스 미세화에 따른 후공정에 관심을 기울이고 있다.
2나노미터 프로세스 반도체 양산계획을 발표한 TSMC는 아이폰(iPhone)용으로 FOWLP(Fan-Out Wafer Level Package) 생산능력을 확대하는 등 전‧후공정을 모두 강화하고 있으나 일본에서는 후공정 R&D 체제를 구축할 계획이다.
일본 경제산업성이 추진하는 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)의 반도체산업 회복 프로젝트를 통해 진행하며, NEDO는 후공정 관련사업을 대상으로 340억엔을 지원할 계획이다.
고성능 컴퓨팅용 실장기술 개발이 핵심이며, TSMC에 절반에 달하는 190억엔, 첨단시스템기술연구조합에 44억엔, 소니반도체솔루션(Sony Semiconductor Solutions)에 50억엔, 쇼와덴코(Showa Denko Materials)에 47억엔, Sumitomo Bakelite(SBC)에 10억엔을 투입할 예정이다.
TSMC는 요코하마(Yokohama)에 TSMC Japan 3DIC R&D센터를 설립했고, TSMC가 개발한 고밀도 실장기술 CoWoSR을 베이스로 5나노미터 프로세스 세대에 필요한 신기술, 신소재 등을 관련기업 20사 이상과 함께 개발할 방침이다.
R&D센터는 약 60억엔을 투입해 2020년 3월 완공한 것으로 알려졌다.
TSMC는 오래전부터 배선 길이가 짧고 전송특성을 열화시키지 않는 3차원 패키지(3DIC)의 핵심인 실리콘 인터포저 개발에 주력하고 있으나 기판 박형화, 접속 신뢰성, 방열성, 코스트 절감 등 신소재 및 프로세스 기술은 NEDO가 주도한다.
2022년에는 고성능 컴퓨팅용으로 FOWLP와 CoWoSR에 사용하는 포토마스크를 대형화해 7나노미터 이하의 미세 프로세스에 대응할 수 있도록 생산을 시작할 계획이다.
로직소자와 광역대 메모리를 컴팩트하게 결합하기를 원하는 수요처 요구에 대응하는 것으로 파악된다.

WLP, TSMC보다 더 미세화 기술 개발
최근에는 도쿄공업대학이 독자적으로 개발한 웨이퍼레벨패키지(WLP) 기술 Bumpless Chip-on-Wafer가 주목받고 있다.
TSMC보다 더욱 미세화할 수 있어 고밀도 실장이 가능하며 TSMC와 같이 로직, 메모리를 올릴 수 있는 토대로 실리콘 인터포저를 사용하고 캐퍼시터 등 수동부품은 두께가 200마이크로미터인 실리콘 웨이퍼에 설치하는 것으로 알려졌다.
캐퍼시터는 트렌치 구조로 소재와 크기에 따라 용량이 결정된다. 구경이 300밀리미터인 웨이퍼는 실리콘관통전극(TSV)에 따라 구경 1마이크로미터 이하의 구리전극을 형성해 칩을 직접적으로 접합하며, 칩과 캐퍼시터는 반도체 프로세스가 미세화되면 간격이 약 10나노미터로 벌어져 범프 접속으로는 대응할 수 없고 직접 접속이 필요한 것으로 알려졌다.
신규 프로세스여서 많은 코스트가 소요되나 양산되면 코스트를 5-10% 수준으로 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
회로기판 시장에서 높은 점유율을 확보하고 있는 Mitsubishi Gas Chemical(MGC)은 FOWLP를 비롯한 재배선용으로 초박막‧세선형 소재를 개발하고 있다.

전공정, EUV 리소그래피 기술 개발 가속화
반도체 전공정은 최첨단 반도체 생산에 필수적인 EUV(극자외선) 리소그래피 기술 개발이 가속화되고 있다.
세계에서 유일하게 EUV 노광기를 생산하고 있는 네덜란드 ASML은 광원 출력을 2배 가까이 높였고 기가포톤(Gigaphoton)도 출력을 500와트로 2배 확대하기 위한 R&D를 진행하고 있다.
이에 따라 생산성이 대폭 향상됨으로써 코스트다운이 가능할 것으로 기대되고 있으나 장기적으로는 1000와트에 달하는 출력이 요구돼 추가 개발이 요구되고 있다.
일본은 최근 한국과의 무역마찰로 서플라이체인이 크게 변화하고 있으나 EUV 소재 경쟁력을 계속 강화하고 있다.
ASML은 2014년 해상도 16나노미터에 시간당 처리능력이 구경 300밀리미터 웨이퍼 기준 180매, 광원 출력 500와트 EUV 노광기를 사업화할 예정이었으나 문제점을 해결하지 못해 실패한 것으로 파악된다. 출력이 250와트에 머무르고 있으나 광학계, 레지스트 등 주변기술로 보완해 생산성을 높이고 있다.
대출력이 가능해지면 레지스트는 감광에 필요한 레이저 광량을 얻기 쉬우며 품질이 개선될 뿐만 아니라 불화아르곤(ArF)을 이용할 때 다중노광이 불필요해져 포토마스크 코스트를 감축할 수 있는 이점이 있어 반도체 소재 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.
기가포톤도 ASML과 마찬가지로 이산화탄소(CO2) 레이저를 조사하는 레이저 생성 플라즈마(LPP) 공법 EUV 광원의 출력을 500와트로 끌어올리겠다는 목표를 세우고 있다. 현재 270와트의 내구성 시험을 진행하고 있으며 증폭기를 2단으로 하면 500와트까지 가능한 것으로 알려졌다.
EUV 노광기는 광원 개량에 이어 포토마스크 방진커버인 페리클도 필요한 것으로 나타나고 있다.
ASML은 오염제거 유지보수시간을 줄이고 가동시간을 늘리기 위해 페리클 개발을 계속했으나 최근 미쓰이케미칼(Mitsui Chemicals)에게 라이선스하고 조립설비를 이관한 후 페리클 사업에서 철수하기로 결정했다.
노광기는 개구도가 높아지고 페리클을 사용하기 시작하면 800-1000와트에 달하는 대출력이 필요하고 EUV 리소그래피를 위한 발전소가 필요할 가능성이 제기되고 있을 정도로 진입장벽이 높아 당분간 메이저 3사의 과점상태가 계속될 것으로 예상된다.
페리클이 보호하는 마스크 기판인 블랭크마스크는 호야(HOYA)와 AGC가 글로벌 시장점유율 1위를 다투고 있는 가운데 수요 증가에 대응해 증설을 진행하고 있다.
몰리브덴과 실리콘 다층막으로 이루어진 투과형 EUV 블랭크마스크의 결함 검사에는 EUV 광원을 사용하는 전용장치가 필요하며 레이저텍(Lasertec)이 높은 시장점유율을 확보하고 있다.
레이저텍은 레이저 어시스트 방전방식(LDP) EUV 광원을 채용하고 있으며 노광기용과는 달리 출력보다 빔의 품질이 중요한 것으로 알려졌다.
반도체 미세화는 3나노미터 이하에 돌입했고 3나노미터 이하의 차차세대 프로세스 양산에는 EUV 노광과 새로운 트랜지스터 기술이 요구되고 있다.
세계 최초로 2나노미터 프로세스 반도체를 발표한 IBM은 트랜지스터 기술로 나노시트(Nanosheet)를 채용했으며 벨기에 Interuniversity Microelectronics Centre(IMEC)는 나노시트의 연장선으로 복잡한 형상의 트랜지스터 구조를 지닌 포크시트(Forksheet) 기술을 개발하고 있다.
반면, 일본 르네사스일렉트로닉스(Renesas Electronics)와 소니(Sony)는 회로선폭 40나노미터 수준의 양산기술 수준에 머물러 경쟁력이 떨어진다는 점에서 TSMC에 대한 의존도가 계속 높아질 것으로 예상된다.

NCT, 산화갈륨으로 탄화규소 대체 추진
일본 반도체 생산기업들은 약 30년에 이르는 패전의 역사에서 벗어나기 위해 활성화 전략을 추진하고 있다.
다만, 스타트업과 벤처캐피탈이 유연한 조합을 이루는 미국 실리콘밸리(Silicon Valley)와 같은 모델을 지향하고 있으나 일본은 인프라가 충분하지 않아 유니콘이 탄생하기 어렵다는 의견이 주류를 이루고 있다.
그러나 다무라(Tamura)에서 분할한 Novel Crystal Technology(NCT)가 독립행정법인 정보통신연구기구(NICT) 기술을 이전받아 산화갈륨(Ga2O3) 디바이스 보급을 검토하고 있다.
실리콘과 같은 가격으로 탄화규소(SiC) 파워반도체 성능을 확보하면 시장이 변화할 것으로 판단하고 뛰어난 가격 대비 성능(가성비)에 따른 차별화에 중점을 두고 에피택시얼(Epitaxial) 웨이퍼, 디바이스로 사업을 확대하고 있다.
다이오드 보급에 힘을 기울여 교두보를 마련하고 트랜지스터를 상품화한 후 산화갈륨 파워반도체를 100% 모듈화할 방침이며, 클린룸을 증설하는 등 생산능력을 확대함과 동시에 디바이스 신뢰성을 높이는 기술 개발에 주력하고 있다.
다무라는 산화갈륨을 LED(Light Emitting Diode) 투명 전도성 소재로 취급하던 중 파워반도체에도 활용할 수 있을 것으로 판단하고 사업화를 위해 NCT를 분리했다.
2011년부터 2015년 NCT를 설립하기 전까지는 다무라가 기판, 도쿄농공대학이 에피택시얼, NICT가 디바이스 개발을 분담했고, 다무라는 산화갈륨 결정에서 디바이스까지 일관생산체제를 구축하는 단계에 진입한 것으로 알려졌다. 앞으로 성장 교두보로 SBD(Schottky Barrier Diode)를 상품화할 계획이다.
NCT는 EFG(Edge-defined Film-fed Growth) 방식으로 결정을 생산하고 있다.
EFG 방식은 SiC, GaN 결정에 비해 생산효율이 매우 높은 편이나 100밀리미터 정방형인 벌크 단결정 사이즈에 그치고 있다. 하지만, 150밀리미터인 대형도 데모를 진행하고 있고 200밀리미터까지 가능할 것으로 예상하고 있다.
최초제품으로 2022년 9월 이후 600볼트 내압(5-10암페어) SBD를 완성할 방침이다. 처음에는 외부에 위탁해 약 1만개를 생산하고 이후 2년 이내에 가격을 SiC 디바이스의 33% 수준으로 낮출 계획이며 성능은 1200볼트 내압으로 500암페어의 대전류 달성을 목표를 세우고 있다.
NCT는 실리콘과 비슷한 코스트로 SiC 수준의 성능을 확보하면 산화갈륨이 SiC를 대체할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 산화갈륨은 1200볼트일 때 SiC와 성능에 큰 차이가 없으나 2000볼트 이상에서는 우위성을 발휘하고 있으며 원리적으로는 트랜지스터로 1만볼트까지 가능한 것으로 알려졌다.
앞으로 SBD를 생산해 공급한 후 150밀리미터 정방형 웨이퍼로 대형화하고 전용 클린룸을 건설해 양산을 본격화하며, 2025년 무렵에는 SBD 채용실적을 토대로 트랜지스터를 생산할 계획이다. 장기적으로는 SBD와 트랜지스터를 모두 이용해 산화갈륨 100% 모듈을 생산하겠다는 목표를 세우고 있다.
NCT는 신뢰성을 충분히 확보함으로써 SiC 뿐만 아니라 실리콘 파워반도체도 대체할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
P형 트랜지스터가 없어 다양한 방향으로 고민하고 있으며 산화갈륨이 아닌 소재로 만든 P형과 조합하는 방안을 유력하게 검토하고 있다.
수소화기상성장법(HVPE)을 채용하고 있으나 산화갈륨 특성을 마이크로파 디바이스에 적용하기를 원하는 수요처를 대상으로는 유기금속화학증착법(MOVPE)으로 대응하고 있다.

화웨이, 일본서 5G 관련사업 강화
일본 반도체 소재 시장은 미국과 중국의 무역마찰로 성장전략 재검토가 불가피해지고 있다.
화웨이는 미국 제재에 따라 2020년 일본산 소재 조달액이 처음으로 감소했고, 일본 플래시메모리 생산기업 키오시아(KIOXIA)는 상장계획을 보류했으며 소니는 CMOS 이미지센서(CIS) 매출을 확대하기 위해 자동차 및 산업기기 시장으로 눈을 돌리고 있다.
디바이스 생산기업의 움직임은 소재 시장에 큰 영향을 미쳐 중국에서 전자소재를 생산하고 있는 메이저 중 일부는 투자계획 변경, 생산설비 이전을 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
화웨이는 스마트폰 사업 축소가 불가피해짐에 따라 자율주행 기술, 데이터센터용 고기능성 저장장치 등 ICT(정보통신기술) 사업에 주력하고 있으며, 자체 개발한 운영체제(OS) 하모니(Harmony)를 탑재한 스마트폰을 발표하는 등 다양하게 대응하고 있다.
일본에서는 5G 사업을 강화하고 있다.
화웨이는 일본 통신사업자용 5G 사업에서 사실상 배제된 상태이나 5G를 모든 산업에서 이루어지고 있는 디지털 전환(DX)을 실현하는 ICT로 설정하고 사업용 솔루션 공급에 주력하고 있다.
1980년대 미국과의 마찰로 메모리산업이 침체된 일본과 달리 화웨이는 중국사업이 핵심이어서 미국과의 마찰에도 생존할 수 있으나 다양한 도전이 필요하다고 판단해 사업구조를 개혁하고 있으며 소프트웨어 능력 향상, 서플라이체인 다각화에 박차를 가하고 있다.
일본에서는 기본적으로 ICT 인프라와 디바이스를 중시하는 전략을 추진하는 것으로 알려졌다.
일본에서는 미국 제재에 따라 플래시메모리 조달이 어려워졌으며 FPD(Flat Panel Display)는 대규모 액정패널 거래처가 존재했으나 스마트폰용 OLED(Organic Light Emitting Diode)로 대체된 가운데 스마트폰 판매 자체도 감소하자 스마트폰 사업 일부를 별도법인 Honor로 분리했다. (J)