'HBM 패권' 새 접착기술이 좌우…장비전쟁 시작됐다

하이브리드 본딩 경쟁 치열
적층 경쟁 핵심은 접착기술
범프 없애면 높게 쌓을수 있어
한화세미텍 하이브리드 본더
SK하이닉스서 시제품 테스트
한미반도체도 2세대 연내 개발

인공지능(AI) 확산과 함께 반도체를 높게 쌓아 올리는 적층 기술 수요가 급증하면서 신기술 개발 경쟁이 치열해지고 있다. 현재는 반도체 사이에 접착제에 해당하는 '범프'를 넣고 쌓아 올려 고열로 압착시키는 TC(열압착) 본딩이 대세지만 관련 기업들은 반도체를 직접 붙이는 '하이브리드 본딩' 기술 개발에 나서고 있다. 범프가 없다 보니 동일한 공간에 더 많이 쌓아 올릴 수 있고 효율도 높아질 것이란 기대감 때문이다.

9일 업계에 따르면 한화세미텍은 최근 하이브리드 본더를 SK하이닉스에 시제품으로 공급했다. 해당 장비는 현재 고객사 테스트를 앞두고 있으며 성능 검증 결과에 따라 향후 양산 장비 채택 여부가 결정될 전망이다. 한화세미텍은 네덜란드 업체와 손잡고 연구개발을 강화해 협력을 확대하고 있다. 기존 TC 본더 시장에선 지난해 기준 1% 정도의 점유율을 기록했지만 차세대 기술 개발엔 뒤처지지 않겠다는 포석이다.

TC 본더 강자인 한미반도체도 하이브리드 본딩 기술 개발에 속도를 내고 있다. 한미반도체는 HBM용 TC 본더 시장에서 1위 지위를 유지하면서 하이브리드 본딩 장비를 개발하는 '투트랙 전략'을 취하고 있다. 연내 '2세대 하이브리드 본더' 시제품을 출시하고 주요 고객사와 협업에 나설 계획이다. 또 내년 상반기 하이브리드 본더 전용 팩토리 가동을 앞두고 있어 양산 대응 체제 구축에도 박차를 가하고 있다. 한미반도체는 2020년 경쟁사보다 먼저 '1세대 HBM 생산용 하이브리드 본더'를 선보였다.

글로벌 기업들도 뛰어들었다. 시장조사업체 카운터리서치포인트는 최근 SK하이닉스가 미국 반도체 종합 장비 회사인 어플라이드머티어리얼즈와 네덜란드의 BE 세미컨덕터 인더스트리가 공동 개발 중인 하이브리드 본더 도입을 검토 중이라고 밝혔다. 보고서에 따르면 SK하이닉스는 2029년 양산이 예상되는 HBM5에 대비해 선제적 투자를 진행할 가능성이 크다고 보고 있다.

TC 본딩은 열과 압력으로 칩 위의 미세 금속 성분 범프를 눌러 칩을 붙이는 방식이다. 공정 안정성과 양산 경험을 바탕으로 현재 HBM 생산에 널리 쓰이고 있다. HBM은 여러 개의 D램 칩을 수직으로 쌓아 데이터 처리 속도를 높이는 구조이기 때문에 칩을 안정적으로 연결하는 본딩 공정이 핵심이다.

신기술인 하이브리드 본딩은 중간 구조물이 없어 칩 사이 간격을 더 좁힐 수 있다. 더 많은 칩을 쌓을 수 있고 데이터 이동 거리도 줄어 속도와 전력 효율 측면에서 유리하다. 다만 공정 정밀도가 매우 높아 비용과 수율 확보가 과제로 꼽힌다.

현재는 TC 본딩이 주류이지만 장기적으로는 하이브리드 본딩이 고성능 반도체 적층의 핵심 기술로 자리 잡을 것으로 평가된다.

그간 TC 본더 분야에서는 국내 장비 회사인 한미반도체가 시장을 사실상 주도해왔다. 시장 조사 업체 테크인사이츠에 따르면 지난해 이 분야에서 한미반도체의 시장 점유율은 71%로 2위인 세메스(13%)를 크게 앞선다. 하지만 HBM4E 이후 차세대 제품으로 갈수록 입출력(I/O) 단자 수가 급증하면서 발열과 신호 왜곡, 전력 효율 저하 등 기술적 한계가 부각되고 있다. 이에 따라 미세한 간격에서도 안정적인 접합이 가능한 하이브리드 본딩이 차세대 표준으로 부상하고 있다. 주요 메모리 업체들도 도입 시점을 앞당길 가능성이 제기된다.

[이동인 기자 / 박소라 기자]