원자현미경(AFM)의 원천 기술을 보유한 파크시스템스가 반도체 제조 공정에서 필수적인 역할을 하며 주목받고 있다. 특히 하이브리드 본딩 기술이 상용화되면서, 이 기술의 성공을 좌우하는 평탄화(CMP) 계측 장비 시장에서 독보적인 기술력을 보유한 파크시스템스가 최대 수혜주로 떠오르고 있다.

원자현미경은 미세한 탐침을 시료 표면에 원자 단위까지 접근시키고, 여기에서 발생하는 원자 간의 힘을 통해 표면의 원자 구조를 측정하는 나노계측 장비다.

하이브리드 본딩은 구리(Cu)와 구리를 직접 접합해 IO(입출력) 수를 획기적으로 늘리고 데이터 전송 속도와 대역폭을 증가시키는 기술이다. 하이브리드 본딩 공정의 핵심 과제 중 하나는 높은 평탄도와 정밀한 접합 기술이다.

파크시스템스 조상준 전무는 “하이브리드 본딩에서 패드 표면의 균일성은 성공 여부를 결정짓는 핵심 요소”라며 “표면 상태가 미세하게라도 불균일하면 접합 부위에 공백(보이드)이 생겨 제대로 붙지 않을 수 있다”고 설명했다. 원자현미경은 나노미터 단위의 높이 차이를 직접 측정해 이러한 문제를 사전에 해결할 수 있다.

파크시스템스는 매출 대비 약 13%를 R&D에 투자하며, 경쟁사 대비 압도적인 연구 개발 비중을 유지하고 있다. 조 전무는 “원자현미경 기술은 아직 초기 단계이며, 개발할 부분이 무궁무진하다”며 “R&D를 통해 계속해서 기술 격차를 벌리고 있다”고 강조했다. 또 “고객마다 다른 공정 요구 사항에 맞춘 맞춤형 솔루션을 제공하고 있다”며 “하이브리드 본딩 초기 단계에 있는 고객부터 이를 인라인에 도입하려는 고객들 사이에서 신뢰를 얻고 있다”고 말했다.

올해 파크시스템스는 1700억원의 매출로 역대 최고 실적을 올릴 것으로 기대된다. 조 전무는 “하이브리드 본딩 관련 매출은 내년부터 본격 반영될 것”이라며, “초기 비중은 크지 않을 수 있지만 꾸준히 증가해 3년 내 전체 매출의 40% 이상을 차지할 것으로 본다”고 내다봤다.

- 파크시스템스의 조상준 전무님 모셨습니다. 예전에 원자현미경의 작동 원리에 대해 설명해 주신 적이 있는데, 간단히 다시 한번 원자현미경이란 무엇인지 설명해 주세요. 일반적으로 현미경 하면 작은 것을 크게 확대해서 본다는 개념이잖아요. 우리가 흔히 접하는 광학현미경이 그 예인데요. 한 단계 더 발전된 SAM이나 TEM 같은 전자현미경은 나노미터 수준의 관찰도 가능하다고 알고 있습니다. 그렇다면 광학현미경과 전자현미경은 어떤 차이가 있고, 전자현미경과 원자현미경은 또 어떻게 다른지 짧게 설명해 주시지요.

“현미경은 현대 과학 발전에 지대한 공헌을 해왔습니다. 특히 광학현미경은 1600년대에 처음 소개되면서, 이전에는 볼 수 없었던 미시 세계를 확대해 보여주는 역할을 했습니다. 이것이 바로 1세대 현미경으로, 빛과 렌즈를 이용해 물체를 관찰하는 방식이었죠. 이로 인해 과학이 크게 발전할 수 있었습니다.

그런데 더 작은 영역을 보기 위해 2세대 현미경인 전자현미경이 개발됐습니다. 전자의 운동을 활용해 매그네틱 렌즈를 통해 전자를 회전시키거나 반사시켜 이미지를 형성하는 방식이죠. 전자현미경은 광학현미경에 비해 훨씬 더 높은 배율을 제공하며, 나노미터 수준의 관찰이 가능합니다. 사실 오늘날 우리가 사용하는 반도체, 스마트폰 같은 첨단 기술은 전자현미경 없이는 개발할 수 없었을 겁니다.

그러고 나서 3세대 현미경으로 원자현미경(AMF ; Atomic Force Microscope)이 등장했습니다. 전자현미경이 나온 지는 70~80년 됐지만, 원자현미경은 소개된 지 이제 30~40년 정도밖에 되지 않았습니다. 원자현미경은 기존의 빛이나 전자를 사용하는 방식이 아니라 탐침을 사용합니다. 그래서 시각적인 확대에 초점을 맞추기보다는, 촉각을 극대화한 현미경이라고 할 수 있습니다. 탐침 끝이 표면과 상호작용하는 힘을 측정해 이미지를 생성하는 방식이죠.

이를 통해 단순히 더 높은 배율을 제공하는 것뿐만 아니라, 물질의 전기적, 자기적 성질을 측정할 수도 있고, 근접장에서의 광학 특성이나 온도의 변화를 측정하는 등 나노미터 세계에서 거의 모든 물리적 파라미터를 관찰할 수 있습니다.”

* SAM(Scanning Auger Microscope) : 샘플 표면에 전자를 쏘아 발생하는 오제 전자(Auger Electron)를 검출해 화학적 및 원소 정보를 분석하는 방식의 전자현미경

* TEM(Transmission Electron Microscope) : 전자 빔을 샘플에 통과시켜 발생하는 투과된 전자를 검출해 내부 구조를 분석하는 방식의 전자현미경

- 기존 전자현미경보다 더 미세하게 볼 수 있다는 것이죠?

“원자현미경을 어떻게 구성하느냐에 따라 달라지지는데요, 미세하게 볼 수도 있고 근접 영역에서 볼 수도 있죠.”

- 원자 간 상호작용 같은 미세한 힘을 측정해서 이를 바탕으로 이미지를 그려주기 때문에 원자현미경이라고 부르는군요?

“맞습니다. 또 한 가지 제일 큰 차이점을 말씀드리자면, 광학현미경이나 전자현미경은 빛이나 전자를 물체에 쏘아 반사되거나 투과된 신호를 분석해 이미지를 얻습니다. 이런 방식은 간섭계나 회절 등을 활용하기 때문에, 어떻게 보면 간접적으로 측정한다고 볼 수 있습니다. 반면, 원자현미경은 탐침이 물질 표면에 매우 가까이 접근해, 탐침 끝과 물질 간의 상호작용하는 힘을 직접 측정합니다. 그래서 원자현미경은 직접적인 측정이 되는 것이죠.”

- 탐침이 대상 물질과 접촉을 하는 것은 아니죠?

“물리적으로 원자와 원자를 완전히 접촉시키는 건 사실상 불가능합니다. 그래서 여기서 접촉이라는 개념은, A 물질과 B 물질이 서로 영향을 미쳐서 상호작용을 일으키는지를 기준으로 정의합니다. 만약 두 물질이 영향을 미치지 않을 정도로 약한 힘의 영역에서 이미지를 생성한다면, 이를 Non-contact, 즉 비파괴라고 볼 수 있습니다. 현대 기술은 이러한 비파괴 영역까지도 정밀하게 제어할 수 있도록 발전해 왔습니다.”

- 최근(2024. 12. 9) 대한민국 주식시장이 전반적으로 약세를 보이고 있고, 주가도 연일 하락하며 바닥을 모르고 떨어지는 상황입니다. 그런데 파크시스템스는 고점 대비 다소 하락하긴 했지만, 시장에서의 평가가 상당히 좋거든요. 투자자들이 이렇게 높게 평가하는 이유는 원자현미경 분야에서 독보적인 기술력을 보유하고 있기 때문이 아닐까 싶은데, 전무님께서는 어떻게 생각하시나요?

“네, 맞습니다. 사실 우리나라는 첨단 계측 기술의 90% 이상을 수입에 의존하고 있는 상황인데요, 원자현미경 분야만큼은 우리가 독자적인 원천 기술을 보유하고 있습니다. 저희 대표님인 박상일 박사님께서 원자현미경 기술을 처음 개발한 그룹에서 활동하셨고, 이 기술을 최초로 상용화하신 분입니다. 어떻게 보면 원자현미경의 원조라고 할 수 있죠.”

- 원천 기술을 보유한 대한민국에 몇 안 되는 기업이군요.

“네, 몇 안 되는 원조 기업이죠. 다른 경쟁사들은 대형 기업들이 소규모 회사를 인수합병(M&A)하면서 기술을 확보한 경우가 많습니다. 그러다 보니 기존 장비를 유지하거나 약간의 개선을 거쳐 제공하는 수준에서 운영됩니다. 이 점에서 철학 자체가 다른 것 같아요.

원자현미경 기술이 어느 정도 성숙해 더 이상 발전 가능성이 크지 않다고 생각하면 맞는 접근 방식이라고 할 수 있죠. 이익을 극대화할 수 있으니까요. 하지만 원자현미경은 아직 초기 기술 단계에 있다고 판단하고 있습니다. 개발해야 할 부분이 무궁무진하기 때문에, 저희는 R&D에 지속적으로 투자하고 있고, 이 비율은 다른 경쟁사들과 비교해도 압도적으로 높습니다.

특히 반도체 같은 최첨단 산업에서는 원자현미경이 빠르게 도입되고 있는 만큼, 새롭게 해결해야 할 과제도 계속 생겨납니다. 결국, 이 산업에서 중요한 건 R&D 역량이고, 저희는 이를 통해 경쟁사들과의 격차를 더욱 벌리고 있다고 생각합니다.”

- 매출 대비 어느 정도를 R&D에 투자하시나요?

“최근 분기를 보면, 매출 대비 13% 정도 되는 것 같습니다. 전체 매출이 커지다 보니 비율은 조금씩 줄어드는 것처럼 보이지만, 금액은 계속 늘어나고 있습니다.”

- 원자현미경은 어떤 산업군의 어떤 곳에 많이 쓰입니까?

“현재 매출의 약 3분의 1은 연구용으로 판매되고 있습니다. 최첨단 연구를 진행하는 데 활용되고 있는 것이죠. 나머지 3분의 2는 산업용으로, 로봇 등을 이용해 웨이퍼 같은 부품을 자동으로 이송해주는 자동화 기계에 주로 사용됩니다.”

- 반도체 공정에 주로 들어가나요?

“현재 산업용의 약 80%는 반도체 분야가 차지하고 있고, 나머지 20%는 디스플레이나 소재와 같은 다른 산업 분야입니다.”

- 오늘 본격적으로 이야기할 주제는 하이브리드 본딩인데요, 구리와 구리를 직접 접촉시켜 IO(입출력) 개수를 획기적으로 늘리고 데이터 전송 속도와 대역폭을 크게 향상시키는 것이 핵심입니다. 예를 들어, AMD CPU에서는 이미 캐시 메모리에 하이브리드 본딩 기법을 적용해 상용화한 사례가 있고, 일본의 키옥시아도 최근 신규 낸드플래시에서 셀과 페리 영역을 하이브리드 본딩으로 결합한 사례를 공개했습니다. 특히 한국에서는 HBM(High Bandwidth Memory ; 고대역폭 메모리)에 대한 관심이 높은데, 현재 12단까지는 TSV(Through-Silicon Via)를 이용한 일반 본딩 방식으로 쌓고 있지만, 16단부터는 높이와 대역폭 문제를 해결하기 위해 하이브리드 본딩이 도입되지 않겠냐고 보고 있죠.

하이브리드 본딩은 결국 BEOL(Back-end of Line)의 영역, 즉 전공정의 일부로 보잖아요. 구리가 잘 붙을 수 있게 패드를 정밀하게 다듬어 평탄화(CMP)를 수행한 뒤, 극도로 정밀한 하이브리드 본딩 설비를 통해 미세 오차 없이 결합해야 한다는 것이잖아요. 여기서 파크시스템스의 원자현미경(AFM)이 CMP 이후 평탄화 상태를 정확히 확인하는 장비로 주목받고 있다, 맞나요?

“네, 맞습니다. 하이브리드 본딩에서 패드의 표면 균일성은 매우 중요한 요소입니다. 패드 구조가 조금씩 다를 수는 있지만, 표면이 산화되면 불순물이 생기거나 특성이 변할 수 있는데 이런 변화는 절대 있어서는 안 됩니다. 물론 하이브리드 본딩을 본딩 기술의 끝판왕이라고 단정 지을 수는 없겠지만, 기존의 범프(Bump)나 솔더볼(Solder Ball)을 사용하는 방식에 비해 IO 패턴 수를 대폭 늘리고, 전기적 특성을 개선하며, 더 많은 층을 쌓으면서 높이를 줄이자는 것이잖아요.

하이브리드 본딩을 하기 위해서는 구리와 구리가 만나기 전에 유전체와 절연체, 절연막이 배치된 표면을 정밀하게 처리해야 합니다. 구리 표면뿐만 아니라 절연체 부분도 플라즈마를 이용해 친수성으로 만들어 저온 또는 상온에서 붙이잖아요. 이 단계에서 표면의 균일성이 매우 중요하니까 표면의 성질이나 프로파일을 측정하는 난이도가 예전보다 훨씬 높아졌습니다.

또한, 여러 영역에서 본딩을 한꺼번에 진행한 뒤 어닐링(열처리)을 해야 하므로 실패율을 낮추는 것도 중요합니다. 그래서 본딩 전에 정밀한 테스트가 이루어져야 하며, 이 과정에서 원자현미경이 필수적으로 필요하다는 점에는 이견이 없는 것 같습니다.

다만, 원자현미경 기술이 어느 정도 수준까지 허용오차를 제어할 수 있는지, 얼마나 빠르게 처리를 진행할 수 있는지, 그리고 에러를 어느 단계에서 탐지해야 하는지, 이런 부분에 대해서 각 기업들이 조사하고 연구하는 단계라고 볼 수 있습니다.”

* CMP(Chemical Mechanical Planarization) : 반도체 제조 공정에서 표면을 평탄화(Planarization)하는 데 사용되는 핵심 기술

- 지금 하이브리드 본딩에도 여러 가지 기법이 있더라고요. 웨이퍼와 웨이퍼를 붙이는 것도 있고, 웨이퍼 위에 다이를 붙이는 방식, 그리고 다이 위에 또 다른 다이를 붙이는 방식 등 크게 세 가지로 나눌 수 있는 것 같던데, 어쨌든 세 가지 방식 모두 패드의 상태는 반드시 확인해야 하지 않겠습니까? 웨이퍼 상태에서는 전체를 검사해야 할 텐데, 지름이 300mm나 되는 웨이퍼를 어떻게 검사합니까? 한 번에 전체를 확인할 수 있는 건가요, 아니면 구역별로 나눠서 확인하는 건가요?

“저희도 프로파일링을 통해 수백 mm 크기의 웨이퍼를 검사하는 방식이 있긴 합니다. 하지만 그렇게 하면 에러가 발생할 가능성이 커지니까, 보통은 다이 레벨에서 평탄도를 보는 게 맞을 것 같습니다.

또, 애플리케이션에 따라 검사해야 하는 영역이 달라지기도 합니다. 예를 들어, 웨이퍼 가운데 부분을 검사할 수도 있고, 엣지 프로파일을 확인해야 할 때도 있습니다. 특히 웨이퍼 가장자리로 갈수록 낭비되는 웨이스트 칩이 생기기 때문에, 어떤 부분까지 수용하고 어디까지 버릴지를 결정해야 하는 상황도 생깁니다.

결국, 반도체 공정에서는 옹스트롬 수준의 정확도를 요구하기 때문에 원자현미경이 반드시 사용되어야 한다는 점에는 이견이 없는 것 같습니다.”

- 구체적으로 무엇을 검사하는 건가요? 예를 들어 CMP 공정을 통해 패드를 평탄화하면, 왼쪽 끝과 오른쪽 끝 사이에 높이 차이가 있는지, 이런 걸 보는 건가요?

“맞습니다. 눈으로 보기에는 표면이 평평해 보이지만, 원자현미경으로 보면 미세한 높이 차이가 존재합니다. 이런 차이가 공정에서 어느 정도까지 허용될 수 있는지는 각 공장에서 기준을 정하겠지만, 저희의 역할은 이러한 미세한 차이까지도 정밀하게 측정하고, 그 데이터를 제공하는 것입니다.”

- 차이가 크게 나면 잘 안 붙겠네요?

“그렇게 되면 제대로 붙지 않습니다. 평탄도가 맞지 않으면 일부는 붙을 수 있지만, 제대로 맞지 않는 부분에서는 공백이나 보이드(Void)가 생길 수 있습니다.”

- 그러면 패드끼리 접촉이 안 되는 거죠?

“맞습니다. 이런 부분들도 기술적으로 계속 개선되고 있는 것 같습니다. 하이브리드 본딩 초기 단계에서는, 패드의 표면이 음각과 양각으로 구성되어 서로 맞물리게 결합하는 방식이 주로 연구되었죠. 그러나 요즘은 실리콘 옥사이드 산화막과 패드 표면의 높이가 거의 균일하게 평평하더라고요. 튀어나온 부분은 거의 없고, 오히려 약간 디싱(Dishing) 현상이 보이기도 합니다.

그리고 요즘엔 절연체 부분을 플라즈마로 처리해 친수성 결합을 만들어 저온에서 결합한 뒤, 이후에 약 150도로 온도를 올려 절연체와 산화막을 공유 결합으로 더욱 단단하게 고정하는 방식이 많이 사용됩니다. 저온에서 붙이면 약간의 에러가 발생하더라도 조정이 될 거 아니에요.

이 과정이 완전히 맞아떨어지면, 이후에 350도 정도로 온도를 높여 구리를 완전히 녹여 강력히 결합시키는 단계로 진행됩니다. 열전도 효과를 활용해 팽창하면서 완벽한 결합을 이루는 방식이죠. 기존 방식과 비교하면, 이 방식이 여러 층을 한꺼번에 붙이는 데 가장 효율적인 방법인 것 같다는 생각이 듭니다.”

- 처리 속도도 궁금한데요. 파크시스템스의 입장에서는 장비가 많이 판매되는 것이 바람직하겠지만, 이를 사용하는 고객 입장에서는 속도가 느리거나 효율적이지 않다면 부담이 될 수 있잖아요. 이러한 부담을 최소화하면서 속도를 적절히 맞추는 것이 중요한 과제일 것 같은데, 웨이퍼 한 장을 검사하는 데 대략 얼마나 걸리나요?

“이 부분은 너무 구체적으로 들어가면 민감할 수 있어서 정확한 숫자를 공개하기는 어려울 것 같고요. 예를 들어 설명하자면, 현장에서 웨이퍼 1만 장 처리를 요구한다고 가정했을 때, 예전에는 약 100장 정도만 처리할 수 있었던 수준이었다면, 지금은 약 6,000장까지 따라잡은 상태입니다.”

- 100배의 차이였는데, 엄청 개선되었네요?

“현재 그 정도까지 됐고요, 다양한 방법으로 속도를 더욱 높이기 위한 연구도 계속 진행하고 있습니다. 이렇게 해서 현장에서 요구하는 처리 속도와 장비 업체가 제공할 수 있는 속도 간의 격차를 점점 줄여가고 있는 상황입니다.”

- 하이브리드 본딩은 이름만 대면 알 만큼 큰 기업들에서나 할 수 있을 텐데요. 제가 보기에는 1, 2위 오사트(OSAT) 업체도 못할 것 같아요. 그래서 실제로 하이브리드 본딩을 도입한 회사들에 장비를 공급했는지, 그랬다면 어느 회사인지, 현재 상황은 어떤지 궁금합니다.

“하이브리드 본딩이라는 이름으로 진행되지만, 실제로 그 안에서 진행되는 협력 단계는 다 다르더라고요. 예를 들어, A라는 회사가 하이브리드 본딩을 할 때 겪는 기술적 난제와 B라는 회사가 직면하는 문제는 서로 달라요. 또, 공정에서 특정 기술이 적용되는 방식도 회사마다 다르게 나타납니다.

그래서 저희는 원자현미경을 각 고객이 원하는 적재적소에 맞게 제공하고 있습니다. A 회사에는 A 회사에 맞는 솔루션을, B 회사에는 B 회사에 맞는 솔루션을 제공하며, 각 고객의 요구사항에 맞춰 개별적으로 접근하고 해결책을 제공하고 있습니다.

현재 하이브리드 본딩 공정을 인라인에 도입하기 직전 단계에 있는 고객도 있고, 이미 프릴리미너리 장비로 테스트를 마치고 가능성을 검증한 후 다음 개발 단계를 준비 중인 고객도 있습니다. 각 고객사의 진행 단계는 다양하지만, 저희 장비가 대부분 들어가 있다고 보시면 될 것 같습니다.

특히 산업용 원자현미경 분야에서는 저희가 시장의 주도권을 가지고 있어서, 대부분의 고객사에서 신뢰를 기반으로 저희 장비를 채택하고 있습니다. 물론, 일부 고객사는 반도체 업계의 특성상 단일 소스(Single Source) 의존에 부담을 느끼고 세컨드 소스나 서드 소스를 추가적으로 고려하기도 하지만, 저희는 원자현미경 분야에서 기술력과 신뢰성을 구축해 왔기 때문에 잘 진행되고 있습니다.”

- 하이브리드 본딩을 준비하는 큰 반도체 기업들은 다 접촉을 하고 있다고 보면 될까요?

“그렇죠. 다 접촉하고 있다고 보시면 됩니다.”

- 올해 매출 실적을 보고 깜짝 놀랐는데요, 사실 작년에 너무 안 좋았지 않습니까? 그런데 작년에도 전년 대비 성장을 했고, 올해도 작년보다 더 성장할 것으로 증권가에서는 예측하더라고요. 좀 많이 보는 곳은 1,700억 원 정도의 매출을 예상하기도 하던데, 어떻습니까?

“그 정도 수준이 될 것 같습니다.”

- 지금이 12월이니 올해도 역대 최고 실적 달성이 거의 확정적이라고 볼 수 있겠네요. 하이브리드 본딩 시장이 폭발적으로 성장할 것 같 같다는 기대가 큰데, 그게 언제쯤일 것 같습니까?

“본딩 장비하는 쪽은 시장이 이미 터졌을 것 같고요, 계측 장비는 뒤에 따라가는 것이라 저는 내년부터 하이브리드 본딩 관련 매출이 어느 정도 반영되기 시작할 것으로 예상합니다. 물론 초기에는 그 비중이 아주 크지는 않을 것 같지만, 내년을 시작으로 점차 그 비중이 꾸준히 증가할 것으로 보고 있습니다.”

- 매출 비중을 보면, 연구용과 산업용이 3대 7이라고 하셨잖아요. 하이브리드 본딩 분야 애플리케이션은 3~5년 후 비중이 얼마나 늘어날까요?

“3~5년 후면 너무 먼 것 같기는 한데요, 3년 후에는 거의 40% 이상 되지 않을까 생각합니다.”

회사에서도 기대가 많겠네요. 오늘 말씀 감사합니다.

대담 : 한주엽 전문기자
정리 : 손영준 에디터
촬영편집 : 정일규 프로