[기계신문] 인공지능, 자율주행자동차 등 시스템 반도체를 필요로 하는 4차 산업 기술의 빠른 성장과 더불어 낸드플래시 메모리의 본격적인 생산으로 반도체 수요가 폭증함에 따라, 반도체 소재기술도 함께 주목받고 있다.
반도체 연마제인 CMP 슬러리는 대표적인 반도체 소재기술이다. 반도체 소자는 다수의 얇은 막이 적층되어 있어 정밀도를 높이기 위해서는 막이 형성될 때마다 연마제와 패드를 이용하여 거친 면을 평탄화하는 공정이 필요한데, 이를 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정이라 하고, 이때 사용되는 연마제가 바로 CMP 슬러리이다.
CMP 슬러리는 기계적(Mechanical) 연마 역할을 하는 연마입자와 화학적(Chemical) 연마 역할과 각종 기능을 가진 화학첨가제가 혼합된 용액으로서, 연마입자는 실리카, 세리아 등의 금속산화물 세라믹 소재가 주로 사용되고, 화학첨가제의 종류와 조합은 매우 다양하다.
CMP 슬러리는 연마 대상인 박막의 소재에 따라 달라지는데, 보통 절연막 슬러리와 구리, 텅스텐 등의 금속막 슬러리로 크게 구분할 수 있고, 비정질탄소막과 같은 유기막 슬러리도 있다.
CMP 공정은 화학적(Chemical) 연마와 기계적(Mechanical) 연마가 함께 이루어지는 하이브리드 공정으로서, 반도체 웨이퍼를 CMP 패드에 압착하고 이 사이로 CMP 슬러리를 흘려주면서 장비가 CMP 패드를 고속으로 회전시키면 연마(평탄화)가 이루어진다.
특허청에 따르면, CMP 슬러리 관련 특허출원은 2009년 87건에서 2018년 131건으로 연평균 4.7% 증가했다. 이 중 내국인의 출원 증가율은 6.1%로 외국인의 출원 증가율(3.6%)을 상회했고, 내국인의 출원 점유율은 2009년 39.1%에서 2018년에는 44.3%로 5.2% 만큼 증가했다.
이는 국내 시장 점유율이 높은 글로벌 선도 기업들이 특허분쟁 등의 사유로 특허출원에 주춤한 사이, 국내기업들이 CMP 슬러리 국산화 비중 확대를 위해 꾸준히 노력한 결과로 보인다.
최근 10년간(2009~2018년) CMP 슬러리 분야 다출원인 중 1위는 케이씨텍이 차지하였고(164건, 16.3%), 글로벌 기업인 후지미(124건, 12.4%), 히타치(85건, 8.5%), 캐보트(83건, 8.3%)가 뒤를 이었으며, 이 외에 삼성(70건, 7.0%), 솔브레인(53건, 5.3%), LG(25건, 2.5%)가 10위권 안에 포함되었다.
특히 국내 중견기업인 케이씨텍과 솔브레인이 활발한 특허출원으로 CMP 슬러리 분야에서 내국인 특허출원 증가를 견인하고 있는 점은 눈여겨볼 만하다.
세부 기술별로 살펴보면, 실리콘 절연막 슬러리 관련 출원(36.4%, 365건)이 가장 많았다. 이어서 구리, 텅스텐 등 금속막 슬러리 관련 출원(28.9%, 290건), 연마입자 관련 출원(20.1%, 202건), 유기막, 상변화막 등 특수막 슬러리 관련 출원(7.5%, 75건) 순으로 나타났다.
출원인 유형별로 살펴보면, 외국기업이 61.2%(614건), 국내기업이 37.5%(377건)로 국내외 기업들이 특허출원을 주도하였고, 기타 국내대학은 1.0%(10건), 국내연구소는 0.2%(2건), 외국대학은 0.1%(1건)로 저조했다.
특허청 유기화학심사과 유밀 심사관은 “우리 기업의 적극적인 특허출원으로 CMP 슬러리 국산화 확대가 기대된다”며 “반도체의 미세화·고집적화는 계속 진행되고 있어서, 이러한 요구에 부합하는 CMP 슬러리에 대한 기술개발은 여전히 필요할 것”이라고 밝혔다.
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