파운드리 경쟁 TSMC 첨단 반도체라인 11곳 착공 VS 삼성전자 EUV 펠리클

파운드리 경쟁 TSMC 첨단 반도체라인 11곳 착공 VS 삼성전자 EUV 펠리클

2023년에 들어와 파운드리 시장에서의 경쟁이 무섭다. TSMC는 파운드리 비지니스를 통해 안정적인 수익을 만들어내고 신규 사업도 강화하고 있다. 이에 맞서는 삼성전자는 EUV 펠리클등 TSMC와는 차별되는 기술로 경쟁에 나서고 있습니다.

 

오늘은 TSMC와 삼성전자의 파운드리 비지니스의 경쟁상황에 대해서 알아보겠습니다.

 

1. TSMC 반도체라인 증설

대만 남부 타이난 TSMC 공장에서 열린 3나노 파운드리(반도체 위탁생산) 양산 기념식

2023년에 들어보자마자 TSMC는 공경적으로 공장증설에 나서고 잇습니다. 1월 16일 대만 수도 타이베이에서 남쪽으로 300㎞ 떨어진 타이난시의 TSMC 반도체 클러스터는 새로운 공장이 들어서고 있습니다. TSMC는 이곳에서 세계에서 가장 앞선 3나노(㎚·1나노는 10억분의 1m)와 5나노급 초미세 공정 기술을 적용한 ‘제18공장(Fab)’을 운용하면서도 인근 부지에 추가적인 증설 공사를 진행중입니다. 90만6000㎡(약 27만4000평) 부지에 이미 들어선 라인 6개(P1~P6)에 추가로 3나노급 반도체를 생산할 라인 3개(P7~P9)를 짓고 있습니다. 

TSMC는 이곳에서 지난달 29일  3나노 반도체 첫 양산 기념식을 열었습니다. 대만 부총리를 비롯해 경제부 장관, 과학기술부 장관 등이 총출동해서 그 위용을 과시했죠. TSMC의 3나노 반도체 양산은 삼성전자보다 6개월 늦었지만, 애플 같은 거대 기업을 3나노 고객으로 빠르게 확보하며 우위를 점하고 있는 상황입니다. 사실 같은 공정이라면 삼성전자보다는 TSMC를 선호하는것은 삼성전자가 파운드리를 이용하는 고객사의 경쟁상대이기때문이죠.

TSMC는 타이난 공장 증설 외에도 올해 룽탄 과학단지에 미래 첨단 공정인 1나노 생산 공장, 신주·중부 과학단지에 2나노 공장 건설을 추진할 계획입니다. 이거 정말 파운드리 시장을 모두 먹으려는건지, 작년부터 올 연말까지 착공하는 TSMC 초미세 공정 라인만 11곳을 추가로 증설및 추가로 공장을 건설하고 있습니다.

대만 반도체는 대만 수출의 3분의 1을 차지하는 핵심 산업인 동시에 ‘실리콘 실드(Silicon Shield·반도체 방패)’라는 이름으로 안보까지 떠받치고 있다. 그 중심에는 전 세계 최첨단 반도체의 92%를 생산하는 TSMC가 있다. 미 반도체산업협회(SIA)에 따르면, 10나노 이하 최첨단 반도체 생산의 92%는 대만(TSMC), 나머지 8%는 한국(삼성전자)이 담당한다. 천젠방 전 TSMC 부사장은 “‘낮은 생산 비용과 높은 품질’이라는 핵심 경쟁력 유지를 위해 거점 단지를 중심으로 모든 관련 시설과 연구 기관을 집적한다”면서 “TSMC가 미국·일본·독일 등에 새로운 공장을 짓는다고 해도 대만은 계속 핵심 생산 기지로 남을 것”이라고 했다.

2. 삼성전자 파운드리 전략

삼성전자는 TSMC를 따라잡기 위해 '극자외선 펠리클(EUV·Extreme Ultraviolet Pellicle)' 자체 수급에 총력을 기울이고 있습니다. 파운드리(반도체 위탁생산) 공정의 수율을 획기적으로 높여줄 핵심 부품인 EUV 펠리클은 외국산이 선점하고 있어 국산화가 시급한 상황입니다. 국내 코스닥 상장사 에프에스티와 에스앤에스텍이 양산 막바지 단계에 접어든 것으로 알려지고 있습니다.

▶ EUV 펠리클이 뭔가요?

EUV펠리클은 포토마스크(반도체 회로패턴을 그린 유리기판)에 먼지가 붙지 않도록 씌우는 얇은 필름을 뜻합니다. 공정 미세화로 반드시 필요하고 이에 따라 수요가 증가하고 있습니다. 특히 불량률을 낮추고 웨이퍼 투입량을 줄여줄 수 있는 기술로 TSMC나 삼성전자 모두 기술 확보에 사력을 다하고 있는 기술입니다.

EUV 펠리클 (IMEC제공)

EUV 노광공정은 웨이퍼에 전기적 신호 패턴을 그리는 작업입니다. 웨이퍼 위에 회로가 그려진 포토마스크를 올리고 그 위에 빛을 쬐면 회로가 새겨집니다. EUV 노광장비는 기존 불화아르곤 심자외선(ArF DUV) 노광장비 대비 파장이 짧아 더 미세한 패턴을 그릴 수 있습니다.

 

파장이 짧은 만큼 빛 흡수율이 크기 때문에 투과율이 높은 펠리클을 사용할수록 수율이 개선되죠. 과거에는 기술적 한계로 상용화하지 못해 삼성전자와 TSMC는 전용 펠리클 없이 EUV 공정을 수행해왔습니다.

EUV 포토마스크 가격은 개당 5억~10억원, EUV 펠리클은 5000만원~1억원 정도합니다. EUV 포토마스크는 전용 펠리클이 없으면 1~2번만 쓰고 버려야 하기 때문에 파운드리 업체들은 오염된 비싼 포토마스크를 매번 바꿔가며 회로를 만들고 있는 상황입니다. 아무리 세척해서 다시 써도 불순물이 묻어 교체가 필요하고 비용과 원가가 상승하게 됩니다.

▶ EUV 펠리클 국산화 현황

현재 EUV 펠리클의 국내 양산은 이르면 2023년내 가능할 것으로 보입니다. 삼성전자로부터 각각 430억원, 658억원을 투자받은 에프에스티와 에스앤에스텍의 EUV 펠리클 투과율이 상용화를 양산 개발이 진행되고 있고 삼성전자도 자체 기술을 확보한 것으로 알려지고 있습니다.

문제는 현장에서 원하는 만큼의 투과율이 나오지 않고 있어요. 업계에서 요구하는 최소 투과율은 90% 이상입니다. ASML이 2021년 미국 반도체 장비업체 테러다인과 합작해 투과율 90%의 펠리클을 개발했고 일본 미쓰이화학과 라이선스 계약을 맺은 뒤 이 부품을 일부 생산하고 있는 상황입니다. TSMC는 3년여 전부터 이 부품을 자체 개발해 일부 공정에 적용하고 있는 것으로 알려지고 있습니다. 반도체 업계 특성상 극도의 보안이 유지되는 탓에 정확히 알려지지 않았지만 TSMC가 삼성전자와의 수율 격차를 이 부품에서 냈을 것이라는 소문이 설득력을 갖는 부분입니다.

▶ 삼성전자의 대응전략 - 중소기업과 'EUV 연합' 구축
EUV 펠리클은 기술 장벽이 워낙 높은 탓에 현재 시장 내 뚜렷한 리드기업이 없는 데다 업계가 원하는 스펙을 완벽하게 갖춘 제품도 없는 상황이다. 미쓰이화학의 물량은 많지 않고 TSMC 제품은 투과율이 부족한 것으로 전해진다. 에스에프티와 에스앤에스텍이 연내 상용화에 성공한다면 단숨에 글로벌 선두주자로 나설 것으로 전망된다.

에프에스티는 연내 양산을 위한 막바지 작업이라고 합니다. 투과율은 90% 이상을 충분히 웃도는 것으로 예상되고 있습니다. 특히 에프에스티가 준비 중인 실리콘 카바이드(SiC) 기반 EUV 펠리클은 고내열성까지 갖춰 ASML의 차세대 장비인 'High NA EUV'에서 더 큰 효과를 볼 것으로 기대되고 있습니다.

 

에스앤에스텍 역시 이르면 올 상반기부터 투과율 90%가 넘는 EUV 펠리클 양산에 돌입한다면 2024년쯤에는 삼성전자 요구하는 스펙을 달성할 것 같다고 합니다. 삼성전자도 자체 EUV 펠리클을 개발하는데 성공했다는 소문도 있습니다.

업계에서는 삼성전자의 자본력과 경험, 중소기업의 기술력을 하나로 묶어 이 부품의 국산화를 완성하고 표준을 만들어야 한다는 의견이 나오고 있습니다. 'EUV 가치사슬' 구축에 정부 지원도 촉구하고 있다. EUV 펠리클 국산화는 안정적인 공급망 확보를 위한 경제 안보 측면에서도 중요합니다. 

업계 관계자는 "ASML은 투과율 95%를 바라보는 제품 개발에 나섰고, TSMC는 펠리클 자체 생산을 20배 이상 늘리겠다는 목표를 세웠다"며 "파운드리에 뛰어든 인텔도 EUV 펠리클 수급에 나설 것이 확실시되는 만큼 수요가 더 폭발하기 전 국산화에 반드시 성공해야 한다"고 이야기 합니다.

 

3, EUV 펠리클 관련주

현재까지 알겨진 EUV 펠리클 관련주로는 에프에스티와 에스앤에스텍정도로 알려지고 있어요.

 

▶ 에프에스티

에프에스티가 양산에 좀더 가까워지고 있는 상황입니다.  반도체 EUV 펠리클 개발 및 공정장비 전문기업 에프에스티의 주가가 오름세를 보이고 있습니다. 에프에스티는 EUV 펠리클 검사장비 제조 자회사 이솔을 자회사로 두고 있다.

에프에스티 주가

이솔은 EUV 펠리클 투과율을 검사하는 장비(EPTR)를 국내에서 처음으로 상용화하고 삼성전자 EUV 라인에 납품하는 등 괄목할만한 성과를 내고 있습니다.

 

▶ 에스앤에스텍

에스앤에스텍의 EUV 관련 부품 개발하고 있습니다.
- EUV용 펠리클로 반도체 및 디스플레이 생산공정 중 노광공정에서 포토마스크를 이물질로부터 보호하는 소모성 소재입니다. 현재 국내에서는 에스에프티가 반도체 및 디스플레이 라인에 대부분 공급하고 있는 상황입니다.

마스크 대신 일정 거리에 떨어져 있는 펠리클에는 오염물질이 앉더라도 웨이퍼에 초점이 잡히지 않아 불량 패턴 형성을 줄일 수 있도록 하는 고가의 제품입니다.

 

에스앤에스텍 역시 EUV 펠리클을 개발하고 있는상황입니다.

현재 C-Si 타입의 1세대 펠리클(투과율 87%) 개발 완료하였고 2세대 펠리클(투과율 88% 이상)까지도 개발하였습니다. 1세대 대비 투과 균일도가 더 높고, 보다 high power에 견딜 수 있는 2세대이후 3세대 90%투과율을 만족하는 제품이 곧 개발될것으로 기대되고 있습니다.. 

에스앤에스텍 주가