Q&A: 반도체 제조의 과거와 현재, 그리고 미래

반도체 제조의 과거와 현재, 그리고 미래: 업계 자문가 Carl White와 함께 하는 Q&A

무어의 법칙(Moore’s Law)은 인텔의 공동 창업자인 Gordon E. Moore가 1965년에 처음 제시한 개념으로 집적 회로(또는 마이크로칩)의 트랜지스터 수는 2년마다 두 배씩 증가하는 반면, 컴퓨팅 비용은 최대 절반씩 줄어들어, 컴퓨팅 성능이 기하급수적으로 발전할 것이라고 예측했습니다. 반도체 업계는 이 패러다임을 유지하기 위해 노력해 왔지만, 더 작은 공간에서 더 많은 처리 능력을 지속적으로 제공하는 일은 쉽지 않습니다. 특히 경쟁사들이 같은 목표를 향해 달려가고 있고, 기술 발전에 대한 소비자의 요구가 끊이지 않는 상황에서는 더욱 어렵습니다.

스웨즈락과 반도체 제조업체의 협업에 대해 자세히 알아보기

무어의 법칙 때문에 “내게 필요한 건? 스피드!(I feel the need—the need for speed!)”라는 문구는 영화 탑건(Top Gun)의 명대사보다는 반도체 업계의 일상을 대표하는 말로 느껴집니다. 이번에 저희는 업계 베테랑이자 C.L.White Engineering Services, LLC.의 선임 엔지니어링 자문 위원인 Carl White와 이런 내용에 대한 대화를 나누어 보았습니다. 반도체 업계 공급망의 여러 기업에서 40년 가까이 근무한 Carl은 개발과 처리 능력에서 끊임없이 요구되는 속도에 대한 훌륭한 견해를 제시해 주었습니다. 과거 무어의 법칙을 따라잡기 위해 어떤 것들을 빠르게 혁신해 왔는지, 현재 반도체 산업이 어떤 문제에 직면해 있는지, 가까운 미래에 우리가 무엇을 기대할 수 있는지 알아보려면 이 글을 계속 읽어 보십시오.

스웨즈락 참고 자료(SRP): 함께 해 주셔서 감사합니다, Carl. 우선 본인의 경력을 간단히 말씀해 주시겠어요?

Carl White(이하 'CW'): 저는 애리조나 주 출신이며 애리조나 주에서 산업 기술 경영 및 기계 공학을 공부했고, 1982년에 반도체 공정 장비 OEM인 ASM에서 처음 일을 시작했습니다. 이후 당시 모토로라(Motorola) 소유였던 스펙트럼(Spectrum) CVD, 훗날 소니(Sony) 소유가 된 재료 연구 기업(Materials Research Corporation), TEL이라고도 알려진 도쿄일렉트론(tokyo electron), 마지막으로 어플라이드 머티어리얼즈(Applied Materials)에서 일했습니다. 저는 38년 중 28년을 반도체 업계의 OEM 분야에서 일했고, 나머지 10년을 칩 제조업체인 모토로라 반도체 제품 그룹(Motorola Semiconductor Products Group)에서 일했습니다. 지난 15년 동안 ALD(원자층 증착: atomic layer deposition) 기술 분야에 종사한 후, 작년 ASM에서 은퇴하였습니다. 지금은 이 업계의 여러 기업에게 자문을 제공하고 있습니다.

SRP: OEM과 칩 제조업체에서 쌓으신 광범위한 경험으로 봐서 반도체 산업에 대한 흥미로운 견해를 갖고 계실 것 같아요. 이 일을 하게 되신 계기가 있나요?

CW: 이 업계에서는 모든 것이 매우 빠르게 진행됩니다. 기술은 끊임없이 변화하기 때문에 이 업계에서 일하는 사람들은 창의성과 지속적인 학습이 필요합니다. 지루할 틈이 없죠! 또한 반도체 기술은 거의 모든 다른 산업에서도 중요하기 때문에, 제가 참여한 설계가 어떤 변화를 이끌어 냈는지 지켜보는 것도 흥미로웠습니다.

SRP: 반도체 산업의 발전을 이끈 장기간의 트렌드에는 어떤 것들이 있을까요?

CW: 초기에는 공간, 즉 크기의 혁신이었고, 나중에는 소비자 기술(consumer technology)이었습니다. 우리의 기술은 계산 자(slide rules)부터 손바닥만 한 계산기로 옮겨갔고, 또 거기서 PC로, 또 스마트폰으로 발전했습니다. 이것은 반도체 기술이 진화했기 때문에 가능했습니다. 이제는 A.I.와 자율주행차가 출현하여 변화를 주도하는 것을 보고 있습니다. 한 가지 변하지 않는 것은 더 빠르게 제품을 생산하고 정보를 전달해야 한다는 것입니다. 더 우수한 컴퓨터 성능에 대한 요구에 부응하기 위해서는 새로운 반도체 기술이 끊임없이 필요합니다.

반도체 혁신의 선두주자가 되려는 경쟁 또한 한 가지 요인으로 작용합니다. 여기서 경쟁은 기업 간의 경쟁을 넘어 세계를 무대로 한 경쟁을 말합니다. 시간에 따라 다양한 국가들이 반도체 기술 개발을 이끌어왔고, 이런 역동적인 변화가 산업 수준에서 더 큰 협력으로 이어지기도 했습니다. 이를 테면 미국의 반도체 기업 14곳은 글로벌 시장에서 경쟁력을 높이기 위해 자신들이 생산하는 칩의 품질을 개선하려는 노력의 일환으로, 1987년 미국 정부와 함께 칩 제조 컨소시엄인 세마테크(SEMATECH)를 설립했습니다. 이에 따라 당시 미국의 반도체 산업이 급격히 발전하였으며, 많은 기업들이 칩 기술의 설계, 제조, 판매 등 모든 것을 해내고자 애썼습니다. 이들은 전문화 방법을 터득하여 다른 기업에 납품할 칩을 만드는 파운드리 회사를 세웠고, 효율적으로 산업 발전을 이끌었습니다.

SRP: 칩 밀도와 반도체 기술의 진화, 그리고 이러한 기술로 구동되는 전자 장치의 관계를 설명해 주시겠어요? 그리고 그에 따라 칩을 생산할 때 필요한 장비와 부품에는 어떤 영향이 있었나요?

CW: 무어의 법칙을 따라잡으려면 소형화(Miniaturization)를 계속 이뤄내야 합니다. 칩에 더 많은 트랜지스터를 넣으려면 점점 더 작은 트랜지스터를 만들어야 하죠. 제조 공정이 발전하는 속도에 발을 맞추려면 장비 또한 발전해야 합니다. 1990년대 말~2000년대 초반에 칩의 뼈대와 같은 실리콘 웨이퍼가 200mm에서 300mm로 변화했는데, 이는 업계에서 매우 중요한 변곡점으로, 이때 주요 제조 및 도구에 변화가 발생했습니다. 더 적은 전자를 누설(electron leakage)하는 45nm의 하이-K(유전상수)를 개발한 일은 업계의 소형화 시도에서 또 한 번의 큰 도약이었습니다. 저는 운이 좋게도 인텔이 이런 것들을 생산하는 데 사용했던 장비를 개발하는 일을 했습니다. 변화를 직접 볼 수 있어 매우 흥미로웠죠. 현재 기업들은 5nm 칩 생산에 주력하고 있습니다.

일반적으로 기업들은 18개월마다 빠른 속도로 더 작은 공정 노드로 교체하려고 하며, 이는 더 작고 더 빠르며 전력 효율이 더 큰 트랜지스터를 만들기 위해 반도체 기술을 더 작은 크기에 집약한다는 것을 의미합니다. 모든 업체들이 이런 식으로 경쟁에 뛰어들기 때문에 그 결과는 무어의 법칙(2년마다 더 작은 공정 노드로 변화하는 것)의 예측을 뛰어넘습니다.

반도체 제조업체는 칩의 성능과 관련하여 무엇을 달성하고 싶은지, 또 이를 위해 어떤 생산 공정이 필요한지에 대해 장비 OEM과 논의합니다. OEM은 이런 성능에 부합하는 장비를 생산하기 위해서, 스웨즈락과 같은 기업과 협력하여 부품을 찾거나 새로운 부품을 엔지니어링하여 툴을 제조합니다. 반도체 기업들이 혁신의 속도를 따라잡으려면 이런 협업이 필수입니다. 협업을 통해 OEM은 필요한 부품을 빠르게 공급받고, 부품 제조업체는 향후 산업에 필요한 것들이 무엇인지 예측할 수 있기 때문입니다.

SRP: 특정 전자 장치 애플리케이션에 대한 시장의 수요가 반도체 혁신을 이끌어낸 건가요? 아니면 일반적으로 칩 기술의 발전이 시장 수요를 앞서가 버린 건가요?

CW: 둘 중 무엇이든 해당됩니다. 가끔은 시장에서 이 기술로 무엇을 해야 할지 파악하기도 전에, 반도체 기술을 끊임없이 진화시켜야 한다는 압박이 획기적인 발전을 만들기도 합니다. 예를 들어, 1990년대에는 컴퓨팅 능력이 급격히 발전하였지만, 칩 기술을 최대한 활용하는 데 필요한 소프트웨어 지식 및 기술은 부족하였기 때문에, 처리 능력에 비해 애플리케이션이 뒤처지게 되었습니다. 하지만 또 다른 경우에는 기존 애플리케이션이 더 많은 작업을 수행해야 한다는 압박이 있을 수 있습니다. 이제 더 많은 데이터 처리가 필요하고 A.I. 애플리케이션의 수요가 더 커지는 것입니다.

기본적으로 우리는 수요의 시대를 3번 경험했습니다. 1960년대에서 1980년대까지는 컴퓨터와 계산 장비를 활용하는 일이 전부였습니다. 그때는 칩에 수천 개의 트랜지스터를 장착했었습니다. 1980년대부터는 노트북이나 핸드폰과 같은 모바일 기술이 대세로 떠올랐습니다. 이때부터는 몇백만 개의 트랜지스터를 칩에 장착할 수 있었습니다. 최근 10년간은 연결(사물 인터넷 및 24시간 사회적 상호 작용을 제공하는 스마트 기기의 등장) 및 데이터 중심 기술(빅데이터 및 머신 러닝 개발 수요와 같은 트렌드)이 확대됨에 따라 데이터 전송 및 저장에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

SRP: 더 작지만 더 강력한 칩에 대한 지속적인 수요가 반도체 제조에 사용되는 유체 시스템 부품의 성능 요건에 어떤 영향을 미쳤나요?  

CW: 반도체 칩 구조가 시간이 갈수록 변화하면서 다양한 유체 시스템 제품을 칩 제조 공정에 사용해야 하는 필요성이 커졌습니다. 특히 트랜지스터가 더 작아지면서, 제조 공정의 오염 여부가 칩의 생산량과 신뢰성에 미치는 영향이 더욱 커졌습니다. 제어되지 않은 공정과 부품의 오염은 반드시 피해야 합니다. 그 결과 업계에서는 기존의 벨로우즈 밸브(수명이 더 김) 대신, “데드 스페이스(dead space)” 및 오염 가스의 양, 그리고 움직이는 부품이 더 적은 다이어프램 밸브(전통적으로 더 깨끗함)를 사용하게 되었습니다.

최근 출시된 스웨즈락^® ALD20 밸브는 벨로우즈 밸브가 가진 고유량 성능의 이점을 유지하면서도, 현대 반도체 제조에 필요한 초고순도(UHP, Ultrahigh Purity) 성능까지 갖춘 제품입니다. 이는 제조 기술이 시간에 지날수록 향상되었고, 고품질 VIM-VAR 강철 및 내식성 합금 등의 강화 소재를—활용할 수 있었기 때문에 가능했습니다. 또한, 전해 연마(electropolishing) 및 부동태처리(passivation)와 같이 더 나은 마감 기술을 사용하고, 제품을 출시하기 전에 이전보다 더 까다로운 테스트를 시행했기 때문이기도 합니다. 과거 일부 기업들은 매우 경쟁적으로 신기술을 급하게 개발했었지만, 부품의 품질을 충분히 검증하지 못해 문제가 발생하기도 했습니다. 반도체 분야에서는 제품이 처음부터 약속대로 작동하는 것이 매우 중요합니다. 즉, 반복적으로 일관성 있는 성능을 제공해야 신뢰할 수 있는 부품으로 인정받을 수 있는 것입니다.

SRP: 앞서 여쭤 본 내용과 비슷한 질문을 드리겠습니다. 새로운 칩 생산 공정을 실행하기 위해 밸브 기술이 항상 변화해 왔나요? 아니면 반도체 제조의 발전이 유체 시스템의 혁신을 이끌었나요?

CW: 반도체 제조 공정의 변화는 UHP 밸브와 기타 유체 시스템 부품을 어떻게 변화시켜 나가야 하는지 방향을 설정하는 데 큰 영향을 미쳤습니다. 마이크로칩을 제조할 때는 보통 실리콘과 같은 결정형 웨이퍼(crystalline wafer)를 증착하는데, 이 때 증착 챔버에 전구체 가스(precursor gas)를 정확한 용량으로 투여해 웨이퍼가 응고되기 전에 균일하게 코팅해야 합니다. 그리고 점점 더 많은 액체와 고체 전구체 화학물질을 사용하여, 고온에서 세심하게 제어된 공정을 통해 승화시킨 후, UHP 밸브를 사용하여 웨이퍼에 투여하는 과정을 거칩니다. 이런 화학물질은 종종 불안정해지고 자극성, 부식성이 강한 것이 특징이어서 효율적으로 작업하기에 까다롭습니다.

당사는 주로 원자층 증착(ALD, atomic layer deposition) 및 원자층 식각(ALE, atomic layer etching) 공정을 이용하고 있습니다 그 이유는 이전까지 공정에 사용된 화학 증착법(CVD, chemical vapor deposition) 및 그 전구체로는 우리가 원하는 만큼 작은 트랜지스터로 칩을 제조하는 데 한계가 있기 때문입니다.  공정과 화학의 변화는 이렇게 진행됩니다. 이를 테면 1990년대에는 알루미늄 대신 전도성이 더 높은 구리 배선을 사용하기 시작했고, 이에 따라 부품을 변경해야 했습니다.

초기에 장비 OEM들은 저조한 칩 수율의 원인이 결함 있는 장비가 아니라 공정 문제임을 알아냈습니다. 습도, 반응성 화학물질의 대기 노출, 밸브 내 잔여물(입자로 인해 형성됨)로 인한 밀폐력 감소 등이 모두 반도체 산업이 현재 당면한 문제들입니다. 선진 유체 시스템 부품 및 시스템 설계를 통해 공정 문제들을 제어하면서 우리는 진화하고 배울 수 있었습니다. 이는 우리의 결과에 긍정적인 영향을 미쳤고, 칩 제조 공정과 부품의 성능 요건 역시 그로부터 영향을 받게 되었습니다.

SRP: 말씀하신 것들이 반도체 제조 발전의 역사라면, 현재 업계가 당면한 문제는 무엇이고, 그 문제가 유체 시스템 부품 요건에 어떤 영향을 미칠까요?

CW: 칩 제조의 다음 단계로 넘어가려면 안정적인 제품 제어와 반복성, 밸브 제조의 일관성이 필요합니다. 반도체 툴에는 수많은 UHP 밸브가 필요하고, 밸브 간에 완벽히 균일한 성능을 갖기는 어렵지만 제조만큼은 일관성을 유지해야 합니다. 고품질의 제품만 중요한 것이 아니라 밸브와 밸브끼리 품질을 동일하게 맞추는 것도 중요합니다.

온도 변화 또한 문제가 됩니다. 더 높은 온도와 유량에서도 일관된 성능을 유지해야 합니다. 지금은 3D NAND 칩 제조에 큰 관심이 쏠리고 있습니다. 이는 트랜지스터가 층층이 쌓이면서 더 많은 재질이 칩의 더 깊은 틈까지 층을 이룬다는 뜻으로, 이 부분을 효과적으로 코팅하기 위해 더 많은 전구체 매질(그 양은 가스의 200배 정도)을 웨이퍼에 투여해야 합니다. 따라서 허용오차를 더 엄격하게 관리하여 변동 범위를 줄여야 합니다.

“칩 제조의 다음 단계로 넘어가려면 안정적인 제품 제어와 반복성, 밸브 제조의 일관성이 필요합니다.”

SRP: 정확한 투여와 온도 안정성, 유량 계수 말고 업계가 UHP 밸브로 무어의 법칙을 지속적으로 따라잡으려면 어떤 것들이 필요한가요?

CW: 청정성과 내식성에도 계속 집중해야 합니다. 재료 과학이 여기서 중요한 역할을 하죠. 예를 들어 ALD20 밸브는 벨로우즈에 Alloy 22(Hastelloy^® C22)를 사용하는데, 이는 이 재질이 부식성이 높은 화학적 환경을 견딜 수 있기 때문입니다. 하지만 이렇게 좋은 재질도 모든 공정에 이상적인 것은 아닙니다. 구조가 더 작아지고 전구체 화학물질의 반응성이 좋아짐에 따라 다양한 화학물질을 처리하기 위한 특수 코팅이 필요해졌습니다. 이런 코팅을 개발하는 것이 어렵고 비쌀 수 있지만, 공정에서의 부식에 대한 허용오차를 점점 더 줄일 수 있습니다.

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이것이 유체 시스템 솔루션 공급업체가 신제품을 개발할 때 OEM 및 반도체 제조업체와 긴밀히 협력해야 하는 핵심 이유입니다. 10년 전 스웨즈락이 처음 ALD 밸브를 소개했을 때도 협력이 중요했고, 여전히 협력은 무엇보다 중요한 부분을 차지하고 있습니다. 툴 OEM과 협력하는 것 외에도, 툴을 직접 사용하는 칩 제작업체와 협력하는 것 또한 중요합니다. 협력을 통해 문제를 함께 해결하고, 참여하는 업체의 개발 주기에 따라 어떤 것이 필요한지 적시에 파악할 수 있기 때문입니다. 이런 협력이야말로 미래의 기술을 실현시킬 수 있습니다.

SRP: 근무하실 당시 공급업체와 어떻게 협력하셨나요? 개인적으로 협력과 관련하여 어떤 것들을 경험하셨나요?

CW: 초반에 ASM에서 일할 때, 스웨즈락^® DH 시리즈 UHP 다이어프램 밸브의 개발을 위해 스웨즈락과 협업했습니다. 220ºC의 진공 상태에서 작동하면서 그 당시 시중에 존재하던 밸브보다 작은 제품이 필요했습니다. ALD 장비가 더 잘 작동하려면 작은 공간에 더 많은 밸브가 필요했기 때문입니다. 이 옵션을 시험해 보기 위해 스웨즈락 본사의 엔지니어링 부서 및 스웨즈락 사우스웨스트 지사와 협력했는데, 그 결과 뛰어난 솔루션을 만들어낼 수 있었습니다. 이중 피스톤 설계와 더불어 진공 챔버의 오염을 막아주는 새로운 윤활유를 가졌으며, 1,000만 번 이상의 주기에서도 극한의 온도 저항성이 지속되는 다이어프램 밸브가 이 때 탄생했습니다.

다른 제조업체들과 달리 스웨즈락 팀은 투명하게 일했고, 일을 진행하는 동안 테스트 프로토콜 및 데이터를 기꺼이 공유했기 때문에 많은 도움이 되었습니다. 또한, 협력을 하면 할 수록, 더 좋은 변화를 만들어냅니다. 이 프로젝트에서 함께 한 팀은 단연 최고였고, 그 덕분에 일을 수월하게 진행시킬 수 있었습니다. 반도체 업계에서 일하면서 고객들을 대할 때, 저는 그저 “이기려고(we win)” 하는 업체보다 언제나 '윈윈(win-win)'하려는 비즈니스 파트너를 원했습니다. 이 업계에는 이 두 가지 성격을 가진 업체가 모두 존재하기 때문에 저는 항상 신중하게 선택해 왔습니다.

SRP: 반도체 산업의 다음 과제는 무엇인가요? 해결해야 하는 문제들은 무엇이고, 가까운 미래에 어떤 일이 벌어질까요?

CW: 현재 반도체 업계가 당면한 과제는 계속 커지는 수요를 따라잡는 것입니다. 지금은 처리 노드가 7nm 혹은 5nm이지만, 여기에서 어디로 더 가게 될까요? 현재 갖고 있는 재질과 제조 역량이 소형화에 얼마나 더 기여할 수 있을까요? 3D NAND 스태킹(stacking)도 하나의 솔루션입니다. 이전보다 많은 반도체가 층층이 쌓임으로써, 기존 방식에 비해 한 공간에 트랜지스터를 3배나 더 많이 쌓을 수 있습니다. 이를 위해 전체 표면을 코팅하지 않고 웨이퍼에서 원하는 곳만 증착할 수 있는 선택적 증착 기술(selective deposition-enabling technology)과 같은 신기술을 개발하고 있습니다.

재질 또한 변화하고 있는데요. 반도체 업계에서는 실리콘보다 탄화규소(silicon carbide)를 웨이퍼의 기초로 사용하려고 합니다. 실리콘은 쉽게 찾을 수 있고 저렴하기 때문에 대대적으로 도입되었지만, 초소형 트랜지스터에 전력을 공급하기 위해서는 다양한 재질이 필요하기 때문에 게르마늄과 같은 재질도 다시 사용하고 있습니다. 그외에도 다양한 재질을 오랫동안 조사하고 있지만, 값비싼 특수 재질은 제조 공정이나 칩 요구 조건을 생각할 때 현실적으로 맞지 않을 수 있습니다. 어쩌면 이제는 필요할 수도 있겠지만요.

바꿔야 할 것은 웨이퍼 재질만이 아닙니다. 무엇을 증착하고 어떻게 식각할지 등등 공정을 바꾸는 것도 생각해야 합니다. 극자외선 반도체 인쇄기술(EUV, Extreme Ultraviolet Lithography)처럼 더 새로운 방법이 도입되고 있지만, 트랜지스터를 5–3nm보다 작게 만드는 작업이 시작되면 이 기술도 오래 가지 못할 수 있습니다. 더 작게 만들수록 비용이 기하급수적으로 늘어나므로, 전문 공급업체들은 누구보다도 열심히 무어의 법칙을 따라잡아야 한다고 생각합니다. 그렇지 않으면 비용이 너무 커질 것입니다.

SRP: 의견을 말씀해 주셔서 감사합니다, Carl. 마지막으로, 과거에 하셨던 일을 이어 나가고 있는 반도체 전문가들에게 조언을 해 주실 수 있나요?

CW: 미래가 어떻게 될지 항상 알 수는 없겠지만, 한 가지 확실한 것은 발전이 계속된다는 것입니다. 한 가지 믿을 수 있는 사실은 원하는 목표를 이루려면 끈끈한 관계와 협력이 필요하다는 것입니다.  

특수한 요구가 있을 때는 일이 언제나 기성품을 바로 구입하는 것처럼 간단하지만은 않습니다. 때로는 차세대 솔루션을 개발할 파트너와 협력해야 하죠. 그럴 때는 엔지니어링 역량과 협력적인 사고방식을 갖춘 업체를 찾아 원하는 목표를 달성하기를 바랍니다. 여러분의 요구를 귀 기울여 듣고 불가능한 것을 절대 약속하지 않으며, 불량한 품질로 눈속임을 하지 않을 협력업체를 찾으십시오. 여러 업체와 함께 신속히 일을 진행할 때는 위험이 따르므로, 신뢰할 수 있는 업체를 알아보아야 합니다. 원하는 결과를 얻기 위해서는 협력 관계를 구축하는 게 가장 좋습니다.

“…그럴 때는 엔지니어링 역량과 협력적인 사고방식을 갖춘 업체를 찾아 원하는 목표를 달성하도록 도움을 받으십시오. 여러분의 요구를 귀 기울여 듣는 협력업체를 찾으십시오.…”

SRP: 감사합니다, Carl! 오늘 저희에게 시간을 내어 주시고 좋은 말씀 해 주셔서 영광이었습니다.

CW: 별 말씀을요. 도움이 되었다니 기쁩니다.  

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