COVID 팬데믹이 시작된 이후 육류, 화장지, 반도체 칩 등의 공급망 문제와 이로 인해 통제되는 여러 "상황"을 보았습니다. 화장지를 사재기하는 것이 더 이상 유행하지 않지만, ATtiny 시리즈와 같이 최근 몇 년 동안 칩을 사러 다녔다면 공급품이 제한되거나 없는 경우가 많습니다. 이 문제에 대한 해결책으로 미국의 반도체 제조를 늘리려는 작업이 진행 중입니다.
이 기사에서는 반도체 생산에 관여하는 요소를 알아보고, 미국 반도체 제조를 확장하기 위해 필요한 스마트 팩토리 기술을 한눈에 살펴볼 것입니다. 칩 생산량을 늘리는 것이 쉬운 일이 아니지만, 미국은 이미 상당한 반도체 용량과 생산 경험을 가지고 있으며 아예 처음부터 시작하지는 않을 것입니다.
반도체 스마트 팩토리 - 하나의 통합 기계
기존의 일반적인 대량 제조에서는 한 작업에서 다른 작업으로 제품이 전달됩니다. 기능이 독립적으로 점점 추가됩니다. 칩 제작자(공장)는 다른 여러 최신 스마트 팩토리처럼 일련의 개별 작업이라기보다는 하나의 통합된 기계처럼 작동됩니다. 이는 그 자체로 상당한 자본 비용을 나타냅니다. 사실, 반도체 생산 공정에서 작업 중인 실리콘 웨이퍼는 사람이 아니라 머리 위 레일 시스템의 한 지점에서 한 지점으로 이동하는 전면 개방 통합 포드인 FOUP에 의해 공장 주변으로 운반됩니다.
공장은 하나의 통합 시스템일 뿐만 아니라 무균실 환경이기도 하며, 먼지 함량이 수술실보다 훨씬 낮습니다. 공정 중인 웨이퍼의 먼지 한 점만으로도 웨이퍼를 손상시킬 수 있기 때문에 이러한 환경은 매우 중요합니다. 상당한 프로세스 자동화가 이루어지면 단순히 인건비 절감뿐만 아니라, 공장을 이동하는 동안 실수로 상당한 수의 입자를 흘리는 사람이 적다는 것을 의미합니다.
이러한 환경을 유지하기 위한 자본 설비, 막대한 전력 요구 사항을 처리하기 위한 변압기, 공정 용수를 위한 배관까지 고려해야 합니다. 그러나 모든 인프라는 이러한 공정의 핵심으로, 실리콘 웨이퍼 위에 수십억 개의 트랜지스터를 형성하는 놀라운 일련의 자외선 리소그래피 기계입니다. 이러한 UV 리소그래피 기계는 대략 버스 크기이며 잠재적으로 지금까지 만들어진 기계 중 가장 복잡한 기계입니다.
극자외선 리소그래피 - 핵심 반도체 생산 기술
Intel, TSMC 및 Samsung과 같은 제조사들의 칩은 자동차에서 휴대폰에 이르는 모든 것에 매우 중요합니다. 단, 세계에서 가장 발전된 칩을 만들기 위한 필수 기계는 네덜란드에 본사를 둔 ASML이라는 한 곳에 있습니다. 기존에 Advanced Semiconductor Materials Lithography의 약자였던 ASML은 이후 공식적으로 널리 사용되고 있습니다. 세계에서 가장 발전된 반도체를 만드는 데 필수인 극자외선 리소그래피 기계, 즉 EUV를 만듭니다. Intel, TSMC 및 Samsung의 최신 공정은 단 1mm² 면적에 1억 개 정도의 트랜지스터를 장착할 수 있으며, 이는 정말 놀라운 수치입니다.
EUV 기계를 통한 ASML 미래
좀 더 알려진 장치 칩이 기존의 비 EUV 기술(이러한 많은 장치를 찾는 것이 어렵다는 점을 감안할 때 이 기술도 고려해야 함)을 사용할 수 있지만, 최첨단 공장에서는 ASML이 세계에서 유일한 옵션입니다. EUV 기술은 수년간 90억 달러를 들여 개발되었습니다. 실제로 Intel, Samsung 및 TSMC는 EUV 개발을 지원하기 위해 회사의 지분을 모두 구입했습니다. 이러한 투자는 위험하긴 하나 전 세계에 훨씬 더 작은 규모로 칩을 만들 수 있는 결과를 낳았고, ASML의 가치는 최근 몇 년 동안 크게 상승했습니다. 최종적으로 유럽 최초의 1조 달러 회사가 될지도 모릅니다.
간단히 말해서, 미국이나 다른 곳에서 가장 발전된 칩 생산을 확장하려는 공장은 약 1억 5천만 달러의 가격으로 이러한 9~18대의 EUV 기계를 구입해야 할 것입니다. 하이엔드 면에서 한 공장에 대한 EUV 기계만 30억 달러에 이를 수 있습니다. 차세대 EUV 기계에는 각각 3억 4천만 달러가 넘는 "상당한" 비용이 들 것으로 예상됩니다. 대략 계산해보면, 각 제품의 비용이 5억 달러이고 한 공장에 20개의 장치가 필요하다면 한 공장에 소요되는 비용은 100억 달러입니다.
아마도 첨단 EUV 기계가 만들어지면 비용이 줄겠지만 어찌되었든 첨단 공장의 비용은 수십억 달러에 달하게 됩니다. 동시에 공장이 하나의 통합 시스템인 경우, EUV는 대규모 작업의 한 측면에 불과합니다. 첨단 반도체 생산 설비에 드는 100억 달러는 시작에 불과해 보입니다.
반도체 스마트 팩토리 공급
공장은 다른 산업을 위한 부품(예: 칩)의 공급업체로 생각되지만, 공장들 역시 공정을 촉진하기 위해 자재와 부품의 지속적인 공급에 의존한다는 것을 기억하는 것이 좋습니다. 전력과 물에서부터 소모품과 화장지에 이르는 모든 것을 포함합니다. 단, EUV 기계가 공정의 핵심이라면 트랜지스터가 형성되는 실리콘 웨이퍼는 "혈구 세포"인 FOUP에 의해 신체인 공장 주위로 펌핑되는 공장의 산소와도 같습니다.
좋은 소식이 있다면 미국 중심의 관점에서, 미국이 이미 공장에 공급할 수 있는 상당한 양의 실리콘 웨이퍼를 생산하고 있다는 것입니다. 동시에 생산량이 증가하면서 훨씬 더 많은 비가공 실리콘 웨이퍼가 필요할 수 있으며, 다른 지속적인 공장의 요구 사항을 고려하고 충족해야 합니다. 칩 생산의 확장은 어려운 일이지만, 공급 보안 측면과 직접 및 지원 업무를 통한 경제에 미치는 파급 효과로 인해 매우 도움이 되는 작업일 수 있습니다.
공급망 단축… 줄일 수 있을까요?
미국이 세계 최고의 칩 제조업체 위치를 되찾는 것은 어려울 수 있지만, 일부 사람들이 상상하는 것만큼 뒤처져 있지는 않습니다. 미국이 완전히 자급자족하는 기술 수준을 갖추려는 꿈은 단기적인 환상일 수 있습니다. 미국이 모든 칩 제조를 육지로 옮긴다 해도, 네덜란드에 기반을 둔 ASML은 세계에서 가장 진보된 칩을 만드는 유일한 장비 공급업체입니다.… 이 회사는 미국계 자회사인 Cymer에 의존하여 기계용 첨단 레이저를 공급하고 있습니다.… 두 회사 모두 다른 국가, 회사 및 사람들에게 부품과 공정을 위한 전문 지식을 전달하고 있습니다.
미국에서 칩 제조를 늘리는 일은 큰 이익을 창출할 수 있는 엄청난 작업입니다. 동시에, 현재의 상호 연결된 세계에서 모든 국가는 가까운 미래에 지리적으로 광범위한 공급망에 의존해야 할 것입니다. 할 수 있는 만큼 최악의 상황에 대비하되, 다른 나라들과 우호적인 관계를 유지하도록 노력합니다. 그래야만 2020년 이후 보았고 경험해 온 혼란을 막기 위해 협력할 수 있습니다.
