삼성전자와 SK하이닉스가 차세대 메모리 핵심 공정인 '펨토초 레이저' 도입에 나서면서 6세대 고대역폭메모리(HBM4) 수율 경쟁이 본격화하고 있다. 초박형 웨이퍼 대응을 위한 공정 전환이 가속화되면서 차세대 AI 메모리 시장 주도권을 둘러싼 기술 경쟁도 한층 치열해지는 양상이다.

24일 업계에 따르면 삼성전자는 펨토초 레이저를 활용한 차세대 웨이퍼 절단 공정으로 전환을 추진하고 있다. 해당 기술은 1000조분의 1초 단위의 초단파 레이저를 이용해 웨이퍼를 절단하는 방식으로 HBM4 시장 대응 전략의 핵심 기술로 꼽힌다.

특히 해당 기술은 별도의 표면 절삭이나 물리적 충격 없이 절단이 가능해 20~30마이크로미터 수준의 초박형 웨이퍼도 정밀하게 가공할 수 있으며 열 손상도 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

삼성전자는 지난 1월 펨토초 레이저 기반 웨이퍼 절단 공정에 필요한 장비 최소 10대를 발주한 것으로 알려졌다. 주문에는 웨이퍼에 홈을 내는 그루빙 장비와 한 번에 절단하는 풀컷 장비가 모두 포함된 것으로 전해진다. 장비는 천안 캠퍼스에 순차적으로 도입될 예정이며 이를 통해 기존 절단 방식을 보다 정밀한 레이저 공정으로 전환한다는 구상이다.

삼성전자는 지난해 2분기 반도체 절단 공정에 펨토초 레이저 기술을 처음 도입한 것으로 알려졌다. 당시 장비는 수 대에 불과했으나 성능과 생산성 개선 성과를 입증해 확대 도입하기로 한 것으로 풀이된다.

특히 삼성전자는 낸드플래시 및 시스템반도체 라인에도 펨토초 절단 공정 도입을 검토 중이다. 고성능 제품군에서 적용 범위를 확대해 생산 효율을 높이는 한편 장비 수급 지연에 대비해 선제적으로 공급망을 확보하려는 움직임이다.

펨토초 레이저 장비의 주요 공급사로는 국내 기업 디오테크닉스와 일본 디스코가 거론된다. 업계에서는 삼성전자가 증가하는 글로벌 수요에 대응하기 위해 국내외 장비업체들과 협력을 강화하는 방식으로 공급망을 구축해 나갈 것으로 관측된다.

SK하이닉스 또한 지난해 7월부터 HBM4 용 웨이퍼 절단 공정에 펨토초 그루빙 및 풀컷 기술 도입을 검토해온 것으로 파악됐다. 이를 위해 레이저 장비 협력사들과 신규 장비에 대한 공동 평가 프로젝트를 추진 중이다. 일부 헙력사와는 기술 테스트도 진행하고 있는 것으로 관측된다.

SK하이닉스는 그간 기계식 절단 혹은 스텔스 다이싱 기술을 사용해 웨이퍼를 절단해 왔다. 다만 첨단 반도체용 웨이퍼가 점점 얇아지면서 이에 적합한 새로운 절단 방식 도입이 필요해졌다.

회사는 HBM4뿐 아니라 400단 이상 3D 낸드에 적용할 예정이다. 400단 이상 낸드는 데이터 저장영역과 구동회로를 별도 웨이퍼에 제작한 후 결합하는데 두께 감소가 필수적이기 때문이다.

업계 관계자는 "주요 메모리사들이 펨토초 레이저 공정확대 검토 단계에 있는 만큼 단기간 내 HBM4 수율 개선에 직접적인 영향을 주기는 어려울 수 있다"면서도 "다만 중장기적으로는 차세대 공정 경쟁력 확보 측면에서 의미 있는 기술로 평가된다"고 말했다.