추석 맞이, '경제 엔진' 반도체 산업 쉽게 보기
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추석 맞이, '경제 엔진' 반도체 산업 쉽게 보기

최종수정 : 2019-09-12 11:18:28

이재용 부회장이 삼성전자 천안 사업장 내 반도체 패키징 라인을 둘러보는 모습. 삼성전자
▲ 이재용 부회장이 삼성전자 천안 사업장 내 반도체 패키징 라인을 둘러보는 모습. /삼성전자

반도체 위기설이 끊이지 않지만, 산업 특성상 자세한 내용을 아는 사람은 많지 않은 분위기다. 추석 연휴를 맞아 이야기꽃을 피울 가족들을 위해, 간단한 반도체 상식을 소개한다.

◆ 반도체는 어떻게 만들어지나

일반적인 반도체 공장에서 진행되는 공정은 증착 - 노광(포토) - 식각(에칭) - 평탄화 - 클리닝 등 5개로 나뉜다. 낸드플래시는 공정에서 층을 높게 쌓아서 구멍을 뚫는다는 차이가 있을뿐, 사실상 같은 과정을 거친다.

내용은 간단하다. 웨이퍼를 보호하기 위해 특정 물질을 덮어 씌우고(증착) 회로판을 인쇄한 후(포토) 불필요한 부분을 제거(식각)하고 나서 표면을 고르게 만들고(평탄화) 세척을 거치는 과정을 여러번 반복한다.

이후 최상부 금속배선을 만들고 테스트를 거친 후 웨이퍼를 자르는 패키징 작업을 거쳐 반도체 제품이 만들어진다.

세메스 등 국내 반도체 장비 업계는 완전히 새로운 개념을 도입하는 연구에 박차를 가하고 있다고 알려졌다. 사진은 세메스 반도체 장비 MICHELAN O2. 세메스
▲ 세메스 등 국내 반도체 장비 업계는 완전히 새로운 개념을 도입하는 연구에 박차를 가하고 있다고 알려졌다. 사진은 세메스 반도체 장비 MICHELAN O2. /세메스

◆ 주요 소재, 어디에 쓰이나

일본이 수출을 규제한 소재는 포토레지스트(PR)와 불화수소(에칭가스), 플루오린 폴리이미드(PI) 등 3종이다.

이 중 불화수소는 국산화가 거의 마무리된 것으로 알려졌다. 디스플레이 업계가 국산화를 거의 마무리한 데 이어, 삼성전자 등 반도체 업계도 일부 공정에 국산 불화수소를 투입했다.

불화수소는 주로 반도체 세척 과정에 쓰이는 것으로 알려졌다. 이물질 제거는 반도체 수율을 높이기 위한 가장 기본적인 방법인 만큼, 불화수소는 공정 전체에 광범위하게 쓰여 위기감도 컸다는 후문이다.

PR은 노광에 쓰이는 소재다. 빛을 쏘이면 화학변화를 일으켜 회로판을 인쇄하는 방식이다. 일본이 수출을 막은 PR은 그 중에서도 극자외선 노광장비(EUV)에서 쓸 수 있는 고급 제품으로 알려졌다.

PI는 디스플레이 표면에 막을 형성하는 물질이다. 일본이 수출을 막은 PI는 첨단 제품인 플렉시블 올레드에 쓰인다.

◆ 100% 국산화 가능한가

반도체 업계가 주요 소재 국산화를 추진 중인 것은 사실이지만, 모든 소재를 국산화할 예정은 없다.

'공급 다변화'가 중요하기 때문이다. 반도체 공정은 복잡하고 다양해 한 부분에 빈틈이 생기면 전체를 멈출 수 밖에 없다. 때문에 어떤 상황에서도 대안을 만들어야 한다.

일본이 수출을 규제했다고 비상사태에 직면했던 것처럼, 만약 100% 국산화가 된다면 반도체 업계는 국내 상황에 휘둘릴 수 밖에 없다. 자연 재해가 일어나거나 파업 등 정치적인 문제가 일어나면 또다른 위기를 맞을 수 있다는 얘기다.

다만, 내부적으로는 일본에 대한 불신이 커진데다가, 국내 반도체 산업 육성 의지가 높다는 전언이다. 어쨋든 국산 소재 비중이 높아질 수 밖에 없다는 게 업계 분위기다.

SK하이닉스는 96단 낸드플래시에 페리를 셀 밑으로 배치시켜 효율을 높인 4D 낸드플래시 를 개발했다. SK하이닉스
▲ SK하이닉스는 96단 낸드플래시에 페리를 셀 밑으로 배치시켜 효율을 높인 '4D 낸드플래시'를 개발했다. /SK하이닉스

◆ 진짜 공장 멈출뻔 했나

반도체 산업은 수율을 얼마나 높이느냐에 따라 승부가 갈린다. 얼마나 더 빠르고 많은 반도체를 만드느냐에 따라 원가 경쟁력을 확보할 수 있어서다.

일본산 불화수소는 순도가 최대 99.999999999999(투웰브나인)에 달해 더 빠르고 쉽게 이물질을 제거할 수 있는 것으로 알려져있다. 아직 초미세 반도체 공정에서는 국산 불화수소를 전면 도입하기 어려운 이유다.

그렇다고 순도가 낮은 불화수소를 쓰면 반도체를 만들 수 없다는 의미는 아니다. 다만 수율이 낮아질 수 있고, 불량 문제도 불거질 가능성이 높아질 뿐이다. 때문에 불화수소 수출 규제에는 우려가 상대적으로 적은 편이었다.

PR을 대체하기 어렵다는 것도 결국 수율 때문이다. 수나노대 초미세공정에서는 작은 변화에도 수율 차이가 높다.

◆ 중국과 기술 격차는

국내 반도체 산업이 위기를 맞으면서 중국도 다시 반도체 굴기를 재개하는 모습이다. 낸드플래시에 이어 D램 양산 계획이 가시화됐다.

중국 반도체와 기술 격차는 아직 알 수 없다는 게 정답이다. 아직 중국이 양산 제품을 내놓지 못했기 때문이다. 위에서 설명했던 것과 같이 반도체 산업은 수율을 얼마나 높이느냐가 관건이다. 중국이 내놓은 시제품으로는 기술 수준을 확인하기 어렵다.

다만, 중국이 발표한 내용을 사실이라고 가정하면 낸드플래시로만 보면 삼성전자와는 3년, SK하이닉스와는 2년 정도로 볼 수 있다. YMTC가 올해부터 64단 낸드플래시를 양산하겠다고 발표한 상황, 삼성전자와 SK하이닉스는 각각 2016년과 2017년부터 64단급 제품 양산을 시작했다.

종합적으로 보면 격차는 더 크다는 평가도 나온다. 삼성전자는 V낸드로 성능과 수율을 동시에 잡았고, SK하이닉스도 주변부 회로를 함께 쌓은 4D 기술을 보유하고 있다. 관계자에 따르면 중국산 64단 낸드 시제품은 주변부가 크게 뒤떨어져있다.

D램은 더 심각하다. 중국은 아직 20~30나노 D램 양산도 어렵다고 알려져있다. 삼성전자와 SK하이닉스가 20나노 양산에 진입한것은 2014년, 5년 이상 차이가 나는 셈이다.

중국이 한국 반도체를 따라오기 쉽지 않다는 분석도 여기서 나온다. 기존 업계가 높은 수율을 기반으로 저렴하게 반도체를 판매하는 사이, 중국은 막심한 손해를 감수하면서 사업을 수년간 지속하면서 기술 개발도 가속화해야한다. 중국이 그들만의 치킨게임을 버텨야 한다는 얘기다.

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