반도체 시장은 2021년 사상 처음으로 5000억달러를 넘어선 것으로 추정된다.
국제반도체장비재료협회(SEMI)에 따르면, 글로벌 반도체 칩 시장은 2021년 5500억달러(약 654조원)로 확대돼 처음으로 5000억달러를 돌파했고 2022년에도 10% 성장할 것으로 예상된다.
반도체 소재 시장도 2021년 620억달러로 전년대비 11% 성장했고 2022년에도 7% 증가해 650억달러를 형성할 것으로 예상된다.
파운드리는 2021년 20% 성장했고 2022년에도 성장세를 유지할 것이 확실시된다.

SEMI, 2021년 글로벌 시장 5500억달러 돌파
SEMI는 2022년 글로벌 반도체 시장이 4.2-15.8% 범위에서 성장할 것으로 전망하고 있다.
세계 각국에서 인플레이션 우려 속에서도 2021년 6% 성장을 달성함에 따라 2022년에도 5% 이상 성장이 가능할 것으로 판단하고 있다.
반도체 소재는 전공정 웨이퍼 팹 소재가 2021년 12% 증가한데 이어 2022년에도 420억달러로 8% 성장하고, 후공정 패키지 소재는 2021년 11%, 2022년 4% 성장해 2022년 230억달러에 달할 것으로 예상했다.
실리콘 웨이퍼 출하량은 2021년 1-9월 14% 증가했고 3분기에만 35억5000만평방인치를 기록했다.
다만, 장치 소재는 성장률이 둔화되고 있다. 프로세스 고도화로 장치 가격이 급등하고 라인 가동에 대한 타임래그가 발생하기 때문이다.
2021년에는 D램이 940억달러로 46%, 낸드는 560억달러로 13% 증가한 것으로 추정하고 있다. 생산능력은 D램과 낸드를 포함 300mm 웨이퍼 기준 월평균 290만장에서 2022년 310만장으로 늘어났다.
반도체 장치는 2021년 1030억달러로 44.7% 급증하며 사상 최대를 기록한 것으로 파악된다. 전공정용 웨이퍼 팹 장치는 880억달러로 43.8% 급증했고 후공정용 조립 및 패키징 장치는 70억달러로 81.7% 폭증했다.
코로나19(신종 코로나바이러스 감염증) 사태로 비대면 수요가 급증하고 DX(Digital Transformation)가 진전됨으로써 세계 각국에서 설비투자가 본격화된 영향으로 판단된다.
중국은 2020년과 2021년 최대 성장률을 기록했으나 2022년, 2023년에는 타이완이 1위를 차지할 것으로 예상했다.
특히, 2023년에는 성장률이 뒷걸음칠 것으로 예상했다.
웨이퍼 장치는 프로세스 처리 장치와 팹 설비, 마스크/레티클을 중심으로 2022년 990억달러로 12.4% 증가하나 2023년에는 980억달러로 0.5% 감소할 것으로 예측했다.
파운드리 및 로직 분야는 2021년 493억달러로 50.0% 급성장했고 2022년에도 17.0% 성장하고, 메모리 및 스토리지 분야는 D램이 2021년 151억달러로 52.0% 급증했고 2022년에는 153억달러로 1.0% 증가하지만 2023년에는 2.0% 감소할 것으로 판단하고 있다.
낸드 플래시 메모리 역시 2021년 192억달러로 24.0% 급증했고 2022년 206억달러로 8.0% 증가하지만 2023년에는 3.0% 감소할 것으로 예상했다.
조립 및 패키징 장치는 2021년 와이어 본딩 생산능력이 확대됐고 어드밴스드 패키징 투자가 급증함에 따라 2022년 첨단 영역을 중심으로 4.4% 수준 성장하고, 테스트 장치는 5G(5세대 이동통신)와 하이퍼포먼스 컴퓨팅 수요가 증가하면서 2021년 78억달러로 29.6% 급증했고 2022년에도 4.9% 늘어날 것으로 예상했다.

반도체, 일본‧TSMC가 미세화 주도
반도체는 미세화가 진전되고 있다.
EUV(극자외선) 리소그래피는 5나노미터 프로세스 노드가 적용됐고 타이완 TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing)가 2021년 말 3나노미터 시험생산을 시작하는 등 미세화가 상당 수준 진전되고 있다.
TSMC는 2022년 말 3나노미터 양산을 시작할 것으로 예상된다.
반도체 미세화는 장치, 소재 진화를 통해 진전되고 있으며 앞으로도 새로운 장치와 소재가 계속 개발되는 이상 완만한 속도로 미세화가 진행될 것으로 판단된다.
3나노미터 프로세스 노드는 TSMC 뿐만 아니라 삼성전자, 인텔(Intel)도 2022-2023년 양산을 검토하고 있다.
초반에는 EUV 멀티 패터닝으로 3나노미터를 실현할 것으로 예상됐으나 ASML이 2023년 공급을 시작한 개구 수(NA)=0.55의 EUV 노광장치의 등장으로 미세화 단계가 한층 가속화되고 있다.
ASML의 새로운 장치를 통해 현재의 NA=0.33보다 빛을 추출하는 효과가 향상돼 2-3나노미터 제조 수율이 크게 향상될 것으로 기대되고 있다.
2-3나노미터에서는 GAA(게이트 올어라운드) 기술 도입도 관심이 집중되고 있다.
현행 FinFET 구조에서 GAA 구조로 이행되면 4방향 모두에서 전류를 제어할 수 있게 돼 면적과 소비전력 감축, 퍼포먼스 향상 등의 효과를 얻을 수 있다. 삼성전자는 GAA를 2나노미터부터 적용하기로 한 TSMC보다 앞선 3나노미터부터 적용한다.
소재 분야에서는 일본 레지스트 5사를 중심으로 한 EUV 레지스트 개발이 본격화되고 있다.
JSR은 2021년 주석산화물계 금속 레지스트를 생산하는 미국 인프리아(Inpria)를 인수함으로써 차세대 레지스트 투자에 나서고 있다. 금속 레지스트는 기존의 화학증폭형 레지스트보다 EUV광 흡수율이 수십배 높고 감도, 해상도 등이 우수한 것으로 알려졌다.
앞으로 3나노미터가 적용되고 1.X나노미터 시대가 찾아오면 금속 레지스트가 필수적인 기술로 자리를 잡을 것으로 예상된다.
장치와 소재의 결점을 보완하는 포토리소그래피 기술도 진화하고 있다.
장치 진화가 둔화되면 금속 레지스트 수요가 증가하고 반대로 화학증폭형 레지스트를 계속 사용할 수 있어 미세화 움직임은 당분간 계속될 것으로 판단된다.

후공정, 헤테로 집적화로 입체화 진행
반도체 후공정은 칩 절단부터 봉지, 기기 실장까지 담당하고 있으며, 첨단기기 분야는 기능이 서로 다른 칩을 1개 기기에 집약시키는 이기종 컴퓨팅(헤테로: Heterogeneous) 집적화가 시작되면서 인터포저와 재배선층 이용 등 칩 입체화가 진행되고 있다.
칩을 세편화해 양품을 추출하고 집적하는 칩렛기기가 보급되고 후공정 진화가 첨단기기 영역에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 헤테로 집적은 스마트폰에 탑재되는 SoC(시스템 온 칩), FPGA(회로구성 변경 가능 반도체)에서 도입돼 메모리 대역폭이 비약적으로 확대되고 있다.
디스코(Disco)가 재배선층 형성 후 절단을 위해 패키지 솔루션을 제안하는 등 최근에는 형성부터 절단까지 이어지는 전용 프로세스가 개발되고 있다. 그동안 수평으로 칩을 배치하는 2.5D 실장이 일반적이었으나 칩 수가 늘어나고 배선을 더 가깝게 배치하기 위해 수직으로 칩을 겹치는 3D 실장 실용화가 진행되고 있다.
모바일 PC 등 USV(실리콘 관통전극)를 사용한 3D 실장 실용화가 이루어진 상태이며 서버 분야에서도 독자 설계한 칩을 늘리는 방식으로 3D화하는 움직임이 나타나고 있다.
소면적‧고기능 뿐만 아니라 인공지능(AI) 해석 등 대규모 데이터를 처리하는 계산처리용 구조 최적화도 성장요인으로 주목받고 있다.
화학‧소재산업도 후공정 진화를 고성장 영역으로 설정하고 신제품 개발을 활발히 진행하고 있다.
후지필름(Fujifilm), TOK는 재배선층용으로 구리와의 밀착성이 높은 성막소재와 패터닝 후 그대로 기기에 남는 영구 레지스트 등을 제안하고 있고, DNP는 유리 인터포저 시장에 진출하는 등 2.5D 실장 수요 증가에 대한 대응을 가속화하고 있다.
2021년에는 반도체 소재 생산기업들의 연계가 활발했다.
쇼와덴코머터리얼즈(SDM: Showa Denko Materials)가 주도하는 컨소시엄 조인트2와 TSMC가 주도하는 첨단 반도체 생산기지 쓰쿠바(Tsukuba)의 후공정 개발이 본격화됐다.

SDM, 2.5D 패키지 기술 컨소시엄 발족
쇼와덴코머터리얼즈는 첨단 반도체 패키지용 컨소시엄을 발족하고 일본기업들의 기술을 집약시키고 있다.
쇼와덴코머터리얼즈는 2018년 반도체 패키지용 컨소시엄인 조인트를 발족한 바 있으며 최근 2.5D 패키지 실현을 위한 후속 컨소시엄 조인트2를 출범하고 12곳의 참여기업을 확보한 것으로 알려졌다.
기판소재와 빌드업 필름, 도금, 장치 등 다양한 분야에서 전문지식을 결집시키고 전공정에 가까운 미세화기술이 요구되는 2.5D 패키지 분야에서 글로벌 시장을 주도하는 것을 목표로 하고 있다.
일본 국립 연구개발(R&D) 법인인 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO) 사업에도 채택됐으며 일본 반도체산업의 기술적 발전을 도모할 것으로 기대를 모으고 있다.
조인트2 컨소시엄이 주목하고 있는 2.5D 패키지 기술은 여러 장의 칩을 하나의 패키지 기판에 고밀도 실장하는 기술이며 미세접속을 실현하기 위해 칩과 패키지 기판 사이에 중계기재로 인더포저를 사용한다. 인터포저가 여러 장의 칩에서 미세배선을 수용하고 내부에 배선 피치를 확장해 하부 패키지 기판으로 배선을 중계하는 역할을 하고 있다.
조인트2는 연구주제를 3가지 선정하고 있다.
첫째로 미세펌프 접합기술로 칩과 인터포저에 접합하는 펌프도 미세화 요구가 높아지고 있어 높은 신뢰성을 가진 접합기술 개발에 주력할 계획이고, 둘째로 배선폭 사이를 채우는 미세배선 기술 개발을 준비하고 있다. 접속이 확보된 다음 최단거리에서 손실이 적은 효율적인 배선 레이아웃 형성을 위한 것이다.
마지막으로 탑재부품 대형화를 실현하기 위한 신뢰성이 높은 대형기판 기술을 개발할 방침이다. 고밀도 실장으로 패키지 기판이 대형화되면서 기판 왜곡이 과제로 떠오르고 있기 때문으로 조인트2는 3개의 워킹그룹을 만들어 연구개발에 주력할 예정이다.
조인트2에는 반도체 관련 메이저들이 대거 참여하고 있다.
컨소시엄을 주도하는 쇼와덴코머터리얼즈는 로직용 패키지 기판 핵심소재 시장에서 점유율 80%를 장악하고 있고, 기판 위에 적층하는 빌드업 필름은 아지노모토파인테크노(Ajinomoto Fine-Techno)가 사실상 표준(De Facto Standard) 지위를 확보하고 있다.
패키지 기판 생산기업 중에서는 신코전기(Shinko Electric)가 조인트2에 참여하며 도금액과 포토레지스트, 장치 분야에서도 메이저들이 이름을 올리고 있다.
쇼와덴코머터리얼즈는 소재‧기판‧장치 등 모든 분야에서 모인 메이저들의 노하우와 기술을 집약시킴으로써 완벽하게 최적화된 2.5D 패키지와 3D 패키지 개발을 추진하고 일본이 차세대 패키지 시장을 주도하도록 할 예정이다.
조인트2는 개별기업이 보유하고 있던 기술을 모아 공통 플랫폼에서 평가하고 아웃풋을 최대화하는 것을 목표로 하고 있다.
서로 경쟁 관계이기도 한 메이저들이 단시간에 대거 모인 것은 첫번째 조인트 컨소시엄의 오픈 이노베이션 활동이 호평받은 영향으로 파악되고 있다.
참여기업들이 서로 양보하며 신뢰관계를 구축함으로써 일본이라는 거대한 브랜드 아래 첨단소재를 만들어냈다는 성과를 높게 평가하고 있다.

메이저 12사 총집합으로 반도체 재부흥
쇼와덴코머터리얼즈는 조인트2 발족과 함께 가와사키(Kawasaki) 소재 패키징 솔루션 센터의 클린룸을 약 20% 확장하고 새로운 장치를 도입한다.
2022년 중반 본격적인 가동을 목표로 하고 있으며 비용은 NEDO와 조인트2 참여기업들이 부담하는 것으로 알려졌다.
NEDO 프로젝트 조성기간은 5년이며 2026년까지 개발을 진행하나 기간 내에 기술과 신소재를 확립한다면 개발기업이 주도해 2026년 이전에라도 상업화가 가능한 것으로 알려졌다.
쇼와덴코머터리얼즈는 기판소재 외에 드라이필름 레지스트, 솔더 레지스트, 봉지재, 감광성 절연재, 방열소재 등도 조인트2에 제안할 계획이다.
2.5D 및 3D 패키지에서는 전공정 기술인 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 슬러리 개발에 주력하고 있으며 이미 후공정 분야에서 높은 시장점유율을 확보한 만큼 조인트2에서 큰 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
펀아웃형 패널 레벨 패키지(FO-PLP)를 대상으로 한 조인트1 활동도 계속 이어나갈 방침이다.
조인트1은 국제학회에서의 공동 발표나 수요기업에 대한 공동 제안 등 일정 성과를 올린 상태이며 앞으로도 기술 개발을 계속하기로 했다.
또 조인트1과 조인트2의 시너지를 창출하기 위해 조인트2에서 FO-PLP 재배선 기술을 살려 PLP 인터포저 등을 개발하는 방안도 검토하고 있다.
일본은 글로벌 반도체 위탁생산 메이저인 타이완 TSMC가 최근 쓰쿠바에 3D 패키지 기술 연구개발 센터를 설립하기로 결정함에 따라 차세대 패키지 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
포토레지스트를 포함한 전공정 분야에서는 일본기업들이 이미 높은 시장점유율을 확보하고 있기 때문에 후공정에서도 확고한 지위를 거머쥐는 것을 목표로 하고 있다. (K)