[미세공정WAR] 파운드리 산업의 미래(1)

최근에 나온 AMD Ryzen 7000시리즈를 사용하는
AM5 고사양 메인보드(X670E)에서 소켓이 타버리는 문제가 발생하고 있어 한창 논란이다
이에 대하여 고전압이 문제이기에 메인보드 단에서 전압을 제한하는 BIOS까지 배포되고 있는 지경
그런데 말이다
과연 고전압이 문제인 것일까??

AMD 7800X3D 소켓 발화(wccftech)

 

내가 보기엔 아니니까 이 칼럼이 작성되는 것이다. 이 모든 것의 원인은 바로 미세공정에 달려있다고 보는 쪽이다.

이를 이해하기 위해서는 ①공정(선폭) ②노광장비 ③양자 터널링 ④반도체 구조에 대하여 다뤄야 한다. 대기업 블로그가 아닌 개인 블로그에서 이만큼 고-품-격(High Quality and Class) 정보는 보기 힘드니 집중하길 바란다.

1. 반도체에서의 공정선폭(Technologu Node)

원칙적으로 반도체 공정은 반도체 제조 공정(Semoconductor Fabrication)을 말하지만, 일반적으로 제조 공정에서 핵심이 되는 반도체의 회로 공정선폭(Technology Node)이 기술 수준을 결정하는 요인이 된다. 

그래서 대다수의 반도체 공정이라고 하면 반도체 회로 공정선폭을 말하며, 2020년대에서는 7nm, 5nm, 3nm 등의 숫자로 표현된다.

반도체에서 (미세)공정이 왜 중요한가? 이는 이에 따른 장점이 확실히 존재하기 때문이다. 공정이 미세해 지면,

A. 회로 폭이 줄어드므로 같은 성능의 칩셋 크기가 작아진다

B. 회로 폭이 줄어드므로 작동하기 위한 최소 전력이 줄어든다

C. 같은 성능의 칩셋 크기가 작아지므로, 생산단가가 내려간다

<생산단가가 내려가는 이유>

 

반도체 공정에서는 일반적으로 12inch(300mm) 지름의 원형 웨이퍼를 사용한다. 이 실리콘 웨이퍼 위에 회로를 그려서 반도체를 만드는 것이다. 반도체는 직사각형 형태로 구성되며, 이것이 12inch 원형 웨이퍼 안에서 몇개나 생산할 수 있는지가 가격을 결정한다. 

칩셋 가격 = 생산개수 / 12inch 웨이퍼 가격

보통 12inch 웨이퍼 가격은 일정하므로 몇개를 생산하느냐가 단가를 결정한다.

1. 칩셋 크기가 15mm x 15mm 일 경우, 웨이퍼 하나에 256개를 만들 수 있다

2. 칩셋 크기가 7mm x 7mm 일 경우, 웨이퍼 하나에 577개를 만들 수 있다

 

세 번째 요소는 매우 중요한데, 이는 컴퓨터 역사에서 CPU와 그래픽카드의 성능이 올라가는데 왜 가격이 유지/소폭 상승으로 그칠 수 있었는지에 대한 근거가 되기 때문이다. 만약 이것이 없었다면 CPU 가격은 지금 아파트 가격과 가슴 웅장한 경쟁을 했을 것이다. (NVIDIA 8800GT($250)의 28배 성능인 RTX3090은 $7,000의 가격이 되어야 하나 $699에, Intel Pentium IV 1.5(Willamtte/$819)의 740배 성능인 R9 7950X는 $605,899가 되어야 하나 $699에 판매되고 있다.)

약 15년간의 그래픽 카드 성능 변천사(techbuyersguru)

 

2. 미세공정을 위한 노광장비

공정이 미세해 진다는 것은 곧 반도체 회로의 공정선폭(Technology Node)이 좁아진다는 것이다. 기존에 14nm 였던 선폭이 7nm로 줄어든다면 이는 공정이 발전한 것이다.

반도체 회로는 12inch(300mm) 원형 웨이퍼에 특수한 고에너지 빛을 조사(照射, Light Expose)하여 전기가 흐르는 통로를 그려낸다. 이 통로의 크기는 웨이퍼 조사에 사용되는 고에너지 빛에 따라서 정해지며, 사람이 볼 수 있는 가시광선(보남파초노주빨 / λ=380~750nm)은 미세공정 6.1㎛~0.35㎛(=350㎚)의 반도체를 생산할 수 있다고 알려져 있다.

빛의 파장(λ)별 생산 가능한 반도체(EETimes)

1990년대부터 이 기술의 한계로 더 세밀한 회로를 그려내기 위하여 크립톤 플루오라이드(KrF) 소재를 사용하는 회로 조사장비를 사용하는데 이 장비를 KrF 리소그래피라고 하며 0.26㎛(=260㎚)~90㎚의 반도체를 생산 할 수 있게 되었다. 여기서부터 사용하는 빛은 보라색을 벗어난 자외선을 사용하게 된다.

2000년대 중반 아르콘 플루오라이드(ArF) 소재를 사용하는 ArF 리소그래피를 사용하여 65㎚~15(or7)㎚의 반도체를 생산하게 된다. 그러나 사람의 욕심이 여기서 끝날리가 없다.

그래서 2020년대부터는 더 미세한 공정의 반도체를 생산하기 위하여, 플라즈마 기반 방사선 빛을 조사하게 되니, 이는 너무나도 강려크한 자외선이라 하여 - 극자외선(Extreme UltraViolet; EUV) 리소그래피라고 부르며, 7㎚(5㎚)~2㎚의 반도체를 생산할 수 있다고 여겨진다.

다만 가시광선 영역의 램프(Lamp) 에서 극자외선 영역의 EUV 리소그래피 장비로 오면서 사용되는 전력량, 렌즈부품의 정밀도, 크기는 거대해져 왔고, 만들수 있는 회사는 줄어들어 왔다.  당장 ArF는 일본의 캐논, 니콘에서도 생산할 수 있었으나, EUV는 전세계에서 오직 ASML만 생산 가능한 물건이 되었다. 

그래서 ArF 최신 리소그래피(노광) 장비는 700억 정도 였으나, EUV 리소그래피(노광) 장비는 2,000억원이며 차세대 제품은 4,000억원으로 알려져 있다. 또한 1년에 40대 밖에 생산하지 못하기에, 전 세계의 TSMC - 삼성전자 - Intel - SK하이닉스의 치열한 구매 경쟁도 발생하고 있는 형편이다.