[반도체로 풀어보는 공학 이야기] 삼성!! 하이닉스!! 너네 왜 잘나가니?

안녕하세요~~ @smartcucum입니다. :)

오늘은 반도체로 풀어보는 공학 이야기 2편을 연재하려고 해요. 요즘 삼성과 하이닉스가 굉장히 잘가고 있다는 사실을 여러분 모두 아실꺼에요. 이 기사에 따르면 SK하이닉스의 지난 2017년도 영업이익률이 D램의 경우 54.6% 낸드 플레시는 21%이며 삼성의 경우는 각각 60.3%, 47.7%라고 합니다. 국내기업의 평균 영업이익률은 6.1% 정도임을 감안하면 두 회사가 다른 회사들과는 비교도 안되는 수익을 올리고 있다는 것을 알 수 있어요. 더욱이 삼성의 경우는 인텔을 제치고 세계 1위 반도체 회사가 되었죠.
이러한 수치를 무엇을 의미하는지 몰라도 그들이 잘나가는건 알겠는데...

어떻게 이런 무지막지한 영업 이익률을 올릴 수 있었느냐?

이 질문에 답하실 분들은 그렇게 많지 않다고 봅니다. 물론 AI, IOT, (아니면 채굴...? 그것도 아니면 배그...? 아니면...박XX...?) 등 반도체 수요가 늘어나면서 가격이 상승하고 이에 따른 영업이익률이 올라간 것도 정답이 될 수 있죠. 하지만 엔지니어인 저의 눈으로 보기엔 이러한 엄청난 실적의 일등공신이 바로 공정과정에서 비롯된 것이라고 생각합니다. :)

따라서 저번시간에 이어서 국내 반도체 기업들이 왜 잘나가는지에 대해서 엔지니어 관점에서 분석할 계획이에요. 지난시간에 설명한 공정부분을 마무리 짓고 반도체 공정이 도대체 왜높은 영업이익률을 가져다 주었는지를 설명하겠습니다. 또한 그동안의 발전과정과 앞으로의 과제에 대해서 짧게 언급하고 글을 마무리하겠습니다.

< 반도체를 모르시는 분들도 정말 정말 쉽게 이해할 수 있도록 수식 빼고! 어려운 용어 빼고! 오직 우리 근처에서 흔하게 볼 수 있는 현상들을 가지고 설명한다는 점. 잊지 말아주시고요.
끝까지 읽어주실꺼죠? 그러면...추울바알~!! >

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오늘의 목적

반도체 공정을 간략히 복습하고 마무리한다.
국내 반도체 회사가 왜 잘나가는지 언급한 공정을 통해 이해한다.
발전과정 및 앞으로의 과제에 대해서 알아본다.

요즘 잘나가는 그 분들...

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지난 시간 복습

지난 시간에는 패턴을 웨이퍼에 새기는 방법을 배웠어요. 기억나시죠? 산화막을 올려서 PR을 올리고 빛을 쪼면 마스크의 모양이 그대로 PR에 나타나고 이를 독성 물질인 HF(불산)으로 산화막을 제거해주면 된다고 하였습니다.

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전기적 성질 부여하기 - 이온주입법

도체와 부도체를 왔다리 갔다리 하기 때문에 SI(규소,실리콘)가 박쥐같다라고 말씀드린거 기억하시나요?? 이번에는 이러한 원리를 이용해서 SI를 도체로 만들어주는 이온 주입법에 대해서 배워볼 꺼에요. SI는 그 자체로 전기적 성질을 지니고 있지 않지만 다른 물질들과 만나면 그 성질이 변하게 되고 전압을 걸어주면 도체로 변하는 성질이 존재해요. SI를 도체로 만들어 주는 물질들을 우리는 도펀트라고 부른답니다. 대표적인 도펀트는 B와 P가 쓰이고 각자 장점과 단점이 존재하지만 둘다 SI에게 전기적 성질을 부여한다는 점에서 동일한 역할을 해요. 아래 그림과 같이 드러난 SI에다가 B or P(도펀트)를 쏘아줍니다.(혹은 산화막 위에 팍팍팍팍 쏘아줍니다.) 그 다음에 고열에서 굽고 서서히 식히면 SI 속에 스며들어요. 우리는 고열에서 굽는 이 과정을 "어닐링"이라고 부릅니다.

SI는 도펀트를 쏘고 고열에 구워주면 SI의 성질이 변한다.
성질이 변한 SI에 전압을 걸어주면 전류가 흐른다.
SI의 성질을 변하게 하는 물질을 도펀트라고 부른다.
대표적인 도펀트에는 B와 P가 있다.
이 전체의 과정은 이온 주입법이라 한다.

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그밖의 공정

그밖의 공정들은 박막 증착 공정, 금속 및 배선 공정, 테스트, 패키징 공정들이 남아있습니다. 하지만 이 부분은 전공자들의 영역이기도 하고 "왜 반도체 공정이 엄청난 수익률을 가져다 주었느냐?" 에 대해 직접적으로 답해주진 않아요. 따라서 그 다음 공정들을 짧게 요약하자면 다음과 같아요.

외부의 소자를 연결시키기 위해 웨이퍼 위에 전체적으로 얇은 박판을 깔아줍니다.
그러한 판 위에 금속을 올려줘서 전기가 통하게끔 만들어준다음에 배선을 정리하고 마무리를 해줘요.
테스트는 당연히 필수겠죠? 테스트를 해줍니다.
제품이 다치지 않기위해 포장하는 패키징 작업을 해주면 완성!!

박판을 증착하고 그 위에 금속을 증착한 모습. 이후에 테스트와 패키징 작업이 이루어집니다.

SK 하이닉스에서 올린 동영상이에요. 정말 좋은 자료라 첨부합니다.
40초 앞까지는 전처리 과정입니다. But 자세히 보시면 그 전처리 과정도 별다를게 없다는거...
산화막(모자) 만들기 -> PR 올리기 -> 포토리소그래피 -> 지우기 -> 다시 반복
복잡해 보이지만 원리는 같습니다.

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공정과 영업이익률과의 관계

스마트폰, 노트북, 아이패드, 웨어러블 칩 등등 현재 기술적 트랜드는 소형화라고 말할 수 있을 정도로 소비자들은 작고 편리한 것들을 선호합니다. 하지만 성능에는 부족함이 없어야하죠. 이런 요구들을 만족시키기 위해서 엔지니어들은 더 작은 칩(제품)에 기존의 전기회로를 구성해야만합니다. 물론 "획기적인 회로 이론을을 적용하면 되지 않겠느냐?"라고 질문하시겠지만 이건 정말 정말 힘든과정이에요. ㅜ.ㅜ

해결책은 의외로 간단했습니다. 바로 동일한 웨이퍼에 더 작은 회로들을 그려넣으면 되는 거였어요. 오잉 무슨말이냐구요? 아래 그림을 보시겠습니다. 동일한 웨이퍼 평면에 선폭(width)을 줄여서 두개의 폭이 생겼네요? 즉, 같은 회로를 더 작은 면적에 배치하였습니다. 우리는 이러한 과정을 선폭을 줄인다고 합니다.

선폭을 줄이자! 그러면 소형화를 이룰 수 있다!

즉, 선폭을 줄여서 웨이퍼에 더 많은 회로들을 그리는 거에요. 이론적으로 14나노 선폭에서 10나노 선폭으로 줄이면 생산량은 30%증가한다고 합니다. 게다가 놀라운 사실은 칩이 소형화가 될수록 전력소모는 줄어들고 작동시간도 빨라집니다. 정말 사기 아닌가요??
정리하면 다음과 같습니다.

엔지니어들은 반도체 패턴의 선폭을 줄이기 시작했다.
생산량은 향상된다.
칩의 전력소모는 줄어든다.
칩의 작동시간도 빨라진다.

아차차!! 제가 말씀 안드린 부분이 하나 더 있는데 혹시 눈치 채신분 계신가요?
네, 맞아요.생산량이 향상이 되면 반도체의 가격을 더 낮출 수 있습니다. 다시 말하면, 반도체 공정기술은 다른 산업과는 달리 기술이 진보하면 진보할수록(the more, the more 비교급이에요.) 웨이퍼에 많은 회로를 그릴 수 있고 이것이 곧 대량생산으로 이어져 가격을 낮출 수 있게 됩니다.

한편, 기술이 좋지 않은 회사는 좋은 회사들에 비해 생산량은 떨어지면서 칩의 성능도 떨어지고 싼가격에 팔수도 없습니다. 즉, 승자독식 구조입니다. 그래서 삼성과 하이닉스 외에 특히 일본기업이 줄줄이 도산하는 이유가 기술력 부족으로 인해 발생된 결과라고 말할 수 있겠습니다.

반도체 기술은 승자독식 구조다. 즉, 기술력이 좋으면 시장에서 독보적 존재가 된다.

이제 국내 반도체 기업이 왜 글로벌 시장에서 승승장구하시는지 이해하셨나요? :)

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성능향상을 위하여

지금까지는 반도체 공정이 왜 승자독식 구조일 수 밖에 없는지, 왜 그토록 영업이익률이 높을 수 밖에 없는지 알아보았습니다. 지금부터는 반도체 공정의 발전과정과 앞으로의 방향에 대해서 짧게 언급해드릴께요.

실제로 선폭을 줄이는 것은 한계가 존재해요. 선폭이 좁으면 전자가 흐르면서 옆으로 튀는 일들을 배제하지 못하구요(간섭현상 발생). 무엇보다 선폭을 줄이기 위해서는 포토리소그래피 과정에서 고성능렌즈가 필요한데 이를 해결하기에는 당시 기술로는 한계가 보였습니다. 이러한 문제점을 2000년도에 엔지니어들은 어떻게 해결했을까요?

한 가지 예시를 들어볼께요. 어떤 지역에 사람이 몰린다고 생각해봅시다.(왜인지는 모르겠지만 ㅋㅋ) 다들 주택을 짓고 알콩달콩 잘 살고 있었는데 사람이 몰리다보니까 주택을 지을 공간이 없는거에요. 위성도시를 만드는 것도 정답일 수 있지만 주택밖에 없는 도시에 위성도시라뇨 :) 사람들은 어떻게 이 문제를 해결했을까요? 정답은 너무 간단해요. 아파트를 지으면되죠? 인구밀도가 높은 곳에는 아파트가 많이 세워질 수 밖에 없습니다. 반도체도 이와 다르지 않아요. 지을 공간이 부족하니 이제 위로 쌓기 시작해요. 정말 재밌죠?

네, 반도체도 가면 갈수록 도시화됩니다. ㅎㅎ

핀펫이란 기술을 들어보셨나요? 이 기술은 반도체를 수직으로 쌓는 기술이에요. 앞서 제가 설명드린 반도체들이 2D 즉, 평면에서만 전자들이 움직였다면 핀펫이란 기술을 도입하면 전자가 수직으로도 움직일 수 있어요. 인텔은 2011년 초에 이 기술을 완성시키고 양산을 시작하죠.

사실 2001년에 당시 원광대 이종호 교수님(지금은 서울대 교수시네요)께서 이 기술을 개발하시고나서 그당시에 삼성을 찾아갔셨어요. 하지만 너무 앞서가는거 아니냐며 이 금같은 기회를 삼성임원분들께서 뻥차버리시고 1년 뒤에 교수님께서는 인텔에 기술 이전을 하시게되죠. 그 후에 인텔은 이 기술을 키워 11년도에 22나노 핀펫 기술을 선보이면서 14년도에 14나노 핀펫 기술을 선보이고(선폭이 줄어드는게 보이시나요??) 양산을 시작합니다. 삼성은 후발주자로 이에 대한 연구 및 생산 설비를 갖추게 되고 드디어 무한 경쟁시대가 도래한 것이여요.

앞으로의 시장에 대하여

첫번째. 3D 공정의 한계

3D 공정의 경우 현재 72층까지 쌓을 수 있는 기술이 개발되었고 양산을 하기 시작한다고 해요. 하지만 이 공정은 200층까지 쌓는 것이 한계라고 합니다. 이 한계를 극복하는 것이 큰 과제에요. 인공 안구, 스마트 안경, 웨어러블 등등 이러한 제품들이 발전하기 위해서는 반도체들은 필히 더욱더 작아져야합니다. 앞으로 이러한 제품들에 대한 소비자의 요구는 높아져만 갈 텐데 어떻게 극복해야할까요? 도대체 어떤 아이디어가 필요할까요? 선폭을 줄이기 위해서 렌즈를개선해야할까요? 아니면 공정들을 아예 뒤집어 엎어야할까요? 돌아서서 지난 기술들의 아이디어를 보면 굉장히 간단한 것처럼 보여요. 하지만 막상 직접 생각해보려면 그렇지 않다는 것을 알 수 있습니다. 저는 이를 해결할 아이디어가 무엇인지 무척이나 기대되요.

두번째. 차이나 테크

중국이 무서운 속도로 따라오고 있습니다. 얼마전까지만해도 반도체의 반자도 모르던 나라였는데 2017년도에는 그 기술력이 2014년도의 우리나라 기술력까지 쫓아왔다고해요. 불과 3년차이밖에 나지 않습니다. 지금은 2018년도니까 기술력 차이는 더 좁혀졌겠네요. 중국의 경우는 칭화대에서 설립한 칭화유니그룹이 반도체 시장을 선도해요. 정부의 전폭적인 지지 아래에서 넓은 대지를 활용하여 공장들을 짓고있습니다. 또 중국의 얼마나 똑똑한 사람들이 많나요? 이도 모자라 한국, 대만에서 많은 인재들을 스카웃하고 기술들을 개발하고 있습니다. 저는 이러한 부분이 굉장히 염려가 됩니다.

세번째. 지식과 기준의 생산자로의 도약

위의 삼성과 인텔에 대해서도 언급했지만 우리나라의 기술력은 세계 최고를 자랑하지만 지식과 기준의 생산자로서의 역할은 굉장히 못하고 있다고 생각해요. 위의 교수님이 겪은 상황들은 엔지니어라면 흔하게 보고 들을 수 있어요.가령 " 그렇게 획기적이면 미국은 왜 안했겠냐? 일본은 뭐했겠냐? 독일은 왜 가만히 있냐?" 이런 질문들이요. 이런 질문들은 우리나라가 그동안 지식의 생산자가 아니라 그저 따라가는 국가였다는 방증이라 생각해요. 지금 어찌어찌 잘 따라와서 시장의 상황도 좋고 하니, 반도체 분야에서 세계 최고라고 할 수 있을만큼 성장하였지만 위와 같은 일들이 또 발생한다면 결국 또 뺏기고 말것이에요.

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마치며

학교에서 배우는 정규 교과목으로 배운 공정과정은 제가 말씀드린 것보다 더 복잡하고 세분화됩니다. 기업에서 실제로 쓰이고 있는 공정들은 더 말씀드릴 필요도 없겠죠. 특성과 목적에 따라 공정들을 배워야하고 실제 실험하기 위해서는 목적에 부합하는 선택을 해야하기 때문이지요. 위에 하이닉스 동영상 보신분들은 아시겠지만 굉장히 복잡한 과정이구나를 느낄 수 있습니다.

하지만 전체적인 큰 틀은 벗어나지 않습니다. 규소를 이용해서 웨이퍼를 제작하고 그 웨이퍼에 빛을 쏘아 회로 패턴을 세기는 것. 그리고 패턴기술이 발전할 수록 웨이퍼에 더 많은 반도체를 올릴 수 있으며 큰 성능향상과 더 저렴한 가격에 판매할 수 있는 것. 이것이 가장 큰 핵심입니다. 이러한 공정의 원리를 바탕으로 반도체 시장은 어쩔 수 없이 승자독식이라는 것을 이해하신다면 최신 반도체 기사들을 읽으시는데 큰 무리가 없으실 꺼에요.

<물론 NAND SSD 이러한 용어들은 공부를 하셔야하는데...다음에 또 이걸로 포스팅 하나 재미있게 꾸려오겠습니다. ㅎㅎ>

다음 주는 MEMS라는 영역을 비전공자분들에게는 다소 생소한 분야를 소개시키려해요. 하지만 항상 그랬듯이 제가 다루는 주제들은 우리 삶속에 깊이 들어와있다는 점 명심해주시고욥!!
리스팀과 보팅 부탁드리면서! 글 마무리하겠습니다. 읽어주신 여러분께 진심으로 감사드립니다. 다음 시간에 뵙겠습니다.