삼성전자 평택 캠퍼스 항공사진/삼성전자 제공
삼성전자가 날로 치열해지는 최첨단 반도체 제품 시장에 대응하기 위해 평택에 10조 원 안팎을 들여 '5나노(㎚) 구현을 위한 새로운 EUV(극자외선) 파운드리 생산라인'을 구축하겠다고 밝혔다. 이는 삼성의 '반도체 비전 2030'의 일환이다. '반도체 비전 2030'은 삼성이 2030년에 글로벌 시스템 반도체 시장 1위를 달성하겠다는 뜻이다.
글로벌 시스템 반도체 시장 1위라는 목표를 달성하기 위해서 5나노 회로가 가능한 파운드리를 지어야하고, 5나노를 안정적으로 실현하기 위해서는 EUV 기술이 접목돼야한다는 말이다. 이렇게 풀어써도 이해하기 어렵기는 매한가지다.
◇ 대체 '파운드리'는 뭘까…팹리스, IDM와 다른 점은?반도체를 제조하는 생산시설을 팹(Fab, Fabrication·주물 공장)이라고 한다. 팹리스는 말 그대로 '팹(Fab)이 없는(less)' 반도체 회사를 뜻한다. 팹리스는 생산시설 없이 아이디어와 우수한 칩 설계 기술을 바탕으로 반도체 칩개발에 집중하게 된다. 다품종 소량 생산 형태로, 기술적인 다양성을 갖는 시스템 반도체 업체가 주로 팹리스 기업을 형태를 가진다. 퀄컴, 인텔을 예로 들 수 있다.
반면, 파운드리(Foundry)는 팹리스가 설계, 개발한 반도체 생산을 위탁 받아 제조하는 생산 기지 역할을 한다. 반도체 생산을 위해서는 수조 원 대의 막대한 시설 투자 비용이 들고 고도의 생산기술이 필요하다. 천문학적인 초기 비용 발생 문제로 반도체를 개발하는 모든 회사들이 자체적으로 반도체 생산 시설을 갖추기 어렵다. 최근 미국으로부터 화웨이로의 수출 금지 제재를 받은 대만의 TSMC가 대표적인 파운드리다.
팹리스와 파운드리는 상호 보완적인 관계로, 팹리스 업계의 성장이 파운드리 시장의 수요증가로 이어지며 파운드리의 성장이 팹리스 제품의 경쟁력 제고로 이어지는 상생 협력 생태계를 가지고 있다.
팹리스와 파운드리 기능을 종합적으로 갖춘 회사를 IDM(Integrated Device Manufacturer), 즉 종합반도체회사라고 한다. 종합반도체회사는 설계에서 제조, 웨이퍼 가공, 패키징과 테스트, 판매까지 모든 과정을 수행한다. 굳이 분류하자면 삼성전자가 이에 속한다.
◇ 7나노, 5나노…숫자는 작으면 작을수록 좋은 건가?
나노미터(㎚)앞에 붙는 수치는 반도체 회로의 선폭을 의미한다. 공정이 더 미세해질수록 웨이퍼 한 장에 많은 칩을 생산할 수 있어 수치가 작을수록 반도체 기업의 생산성은 향상된다.
반도체는 눈에 보이지 않는 미세화와의 싸움이다. 반도체가 더 많은 정보를 저장하고, 높은 성능을 내기 위해서는 미세 공정 기술을 통해 집적도를 높여야 한다. 현재 반도체 공정 기술은 한,두 자릿수 나노미터(㎚)까지 와 있다. 앞서 언급했듯이 이 수치는 반도체 칩을 구성하는 회로의 선폭을 의미하는데, 1나노미터는 사람 머리카락 굵기의 10만 분의 1에 해당한다. 반도체 회로가 더 미세화될수록 같은 면적에 더 고용량, 고성능, 고효율의 제품을 만들 수 있다.
칩의 크기가 작아지면 한 장의 웨이퍼에서 더 많은 칩을 생산할 수 있기 때문에 가격 경쟁력과도 직결된다. 반도체 업계는 미세화의 한계를 돌파하고자 회로 설계 혁신부터 'EUV(극자외선·Extreme Ultra Violet) 공정' 도입까지 다양한 노력을 하고 있다.
◇ EUV(극자외선) 공정은 어떤 의미를 담고 있을까?지금은 DUV (심자외선·Deep Ultra Violet) 공정을 사용해서 웨이퍼에 회로를 그린다. DUV는 ArF(불화 아르곤, 파장 193㎚)를 광원으로 사용해서 회로를 그리게 되는데, 이 공정으로 구현할 수 있는 회로 선폭은 30㎚가 한계이다.
물론 멀티 패터닝 공정을 사용해 회로를 여러번 나누어서 7㎚까지 구현이 가능해졌다. 하지만 이 공정으로 반도체를 제작하려면 시간이 오래 걸려 원가 상승과 추가 장비 투입 등 생산라인의 비효율성을 초래했다. DUV도 결국 5㎚이하 공정에서는 한계에 이르게 된 것이다.
파장을 줄이지 않고 다양한 기술들을 접목시키며 회로를 미세하게 그리는 작업도 난관에 봉착하면서아예 파장을 줄여 미세공정을 하는 쪽으로 눈을 돌리기 시작했고, 결국 찾아낸 기술이 바로 'EUV(극자외선·Extreme Ultra Violet) 공정'이다.
13.5㎚의 파장을 이용한 EUV 광원은 기존 공정에 적용되던 DUV 파장보다 짧기 때문에 더 미세하게 웨이퍼에 회로를 그릴 수 있게 된다. 또한 DUV는 멀티 패터닝으로 회로를 여러번 나누어 그렸다면 EUV는 그럴 필요 없이 한번에 그리는 것이 가능하다.