팹 아래의 소재층: 반도체 소재 공급망 확보

반도체 소재층은 수많은 원소와 가스로 이루어져 산업 규모에 비해 작아 보이지만, 한 가지라도 끊기면 생산이 멈춘다. 발표자들은 초고순도 관리, 지역 공급망, 차세대 소재와 정제 기술, 반응성 가스의 안전한 취급이 맞물린 문제라고 설명한다.

⏱ 13:48AEI의 크리스 밀러 연구원이 사회를 맡아 반도체 제조에 쓰이는 소재와 가스를 주제로 패널 토론을 시작한다. 반도체 산업협회, 특수가스 기업, 첨단 소재 기업의 전문가가 참여해 차세대 소재 기술, 현재 업계가 겪는 공급 문제, 칩뿐 아니라 제조에 들어가는 소재까지 함께 봐야 하는 이유를 짚겠다고 밝힌다.

사회자는 이 소재층이 미국의 기술 리더십과 지정학적 위치에 직결된다는 점을 논의의 출발점으로 삼는다. 이어 첫 질문으로 첨단 반도체를 만드는 데 어떤 가스가 필요한지 묻는다.

⏱ 15:55가스 전문가는 휴대폰 속 칩을 예로 들어 트랜지스터가 1947년 처음 등장했을 때는 하나의 소재로 만들어졌지만, 지금은 같은 면적에 약 200억 개가 들어간다고 설명한다. 소재도 단일 원소에서 CPU 하나에만 약 30종의 원소가 쓰이는 방향으로 크게 늘었다.

휴대폰 전체로 보면 배터리와 화면까지 포함해 약 75종의 원소가 쓰이며, 사실상 주기율표의 대부분이 기기 안에 들어간다고 본다. 텅스텐을 예로 들면, 광산에서 캐낸 금속을 기체로 바꿔 원자 단위 정밀도로 증착해야 칩 내부의 배선에 쓸 수 있다는 것이다.

⏱ 20:09가스 산업은 최종 제품이 평범한 원통형 용기에 담겨 나오기 때문에 일반에 거의 알려져 있지 않다. 용기 하나의 가치도 수십 달러에서 50만 달러에 이를 만큼 차이가 나지만, 겉에서는 내부의 정제 기술을 전혀 볼 수 없다.

반도체 산업 전체의 경제 규모가 연간 약 1조 달러로 추정되는 반면, 가스와 액체 화학물질을 포함한 이 소재층은 연간 약 50억 달러 수준으로 전체의 0.5% 정도에 불과하다. 그러나 약 150종의 가스 중 하나라도 공급이 끊기면 팹 가동이 멈추므로, 규모는 작아도 공급망 취약성은 크다는 점이 강조된다.

⏱ 21:16패널은 칩에 쓰이는 가스의 불순물이 ppb, 즉 10억분의 1 단위로 관리되어야 하는 이유를 설명한다. 독성이 있거나 공기와 닿으면 자연 발화하는 가스도 많아서 이런 수준의 순도를 유지하며 다루는 것 자체가 큰 도전이라는 것이다.

다른 패널리스트는 가장 작은 불순물 크기가 사람 머리카락 굵기를 100만 분의 1로 나눈 수준이라고 비유한다. 금속 이온, 휘발성 화합물, 용매까지 웨이퍼에 닿으면 안 되므로, 정제 시설을 공장 가까운 지역이나 같은 나라에 두어 장거리 운송으로 생기는 오염 위험을 줄여야 한다고 강조한다. 팹은 가장 복잡한 화학 플랜트이자 가장 복잡한 오염 관리 시스템이라는 평가도 나왔다.

⏱ 22:24패널리스트는 2나노, 3나노 같은 미세 공정에서 트렌치나 비아 크기가 계속 줄어드는 만큼 새로운 소재와 그에 맞는 정제·여과 기술을 함께 개발해야 한다고 말한다. 또한 소재 기업은 현재 세대 소재를 공급하는 동시에 다음 세대 소재를 발명하는 이중 역할을 맡고 있다.

수율 문제도 함께 다뤄졌다. 공정이 수백에서 수천 단계에 이르는 만큼, 최종 수율을 80~90%로 맞추려면 각 단계가 거의 완벽에 가까운 신뢰도로 작동해야 한다는 계산이 제시되었다. 공장에 막대한 투자가 이루어져도 수율이 오르지 않으면 가치가 없다는 설명이다.

⏱ 27:04사회자는 가스가 칩을 깎아내는 용도로 설계되어 부식성이 강하거나 불안정하게 반응하는 문제를 짚는다. 이런 가스를 반응하지 않도록 유지하면서 운송하고 현장에 보관해야 하는 상충 조건이 핵심 과제로 제기된다.

패널은 텅스텐 헥사플루오라이드와 삼불화질소 같은 대표 가스를 예로 들며, 일부는 가연성이거나 공기와 만나면 바로 불이 붙는 자연 발화성이라고 설명한다. 업계가 이를 특정 지역의 원료에서 출발해 여러 단계를 거쳐 공급하는 방식으로 관리하고 있다는 설명으로 논의가 이어진다.