지난 20일 조 바이든 미국 대통령이 윤석열 대통령과 함께 이재용 삼성전자 부회장의 안내를 받으며 시찰한 삼성전자 공장 안에 미국 성조기가 붙은 반도체 장비들이 놓여 있다. (왼쪽부터) 어플라이드머티어리얼즈, KLA, 램리서치 장비의 모습. [연합]

지난 20일 조 바이든 미국 대통령의 삼성 평택공장 방문 당시 반도체장비에 붙은 성조기와 파란 방진복을 입은 미국 직원들의 등장은 모두 삼성전자 측이 ‘미국과 기술동맹’을 부각시키고자 조율해낸 결과물이다. 바이든 대통령 역시 ‘엄지 척’과 미소로 화답했다.

바이든 미국 대통령이 방문한 공장 내부 시설에 놓인 어플라이드머티리얼즈, KLA, 램리서치 등의 반도체장비 꼭대기와 전면엔 미국 성조기가 붙었다. 원래 이 장비들은 성조기가 부착되지 않은 채로 출시된다. 때문에 반도체업계 사람들이 모인 사회관계망서비스(SNS)에선 당시 ‘장비에 성조기가 왜 등장했냐’며, 흥미로워하는 반응들이 올라오기도 했다.

삼성전자에선 ‘첨단 반도체 생산이 미국과의 공조를 통해 이뤄진다’는 것을 분명히 보여주고자 관련 작업들을 꼼꼼히 챙긴 것으로 전해진다. 한국과 미국의 대통령에게 장비기술을 설명한 직원들 역시 각 회사에서 삼성전자 요청에 따라 파견된 실제 엔지니어들이다.

이날 윤석열 대통령과 바이든 대통령이 함께 서명한 3나노미터(㎚·1㎚는 10억분의 1m) 반도체 웨이퍼(얇고 둥근 실리콘 판) 역시 미국 기업의 기술력이 동반돼야 한다는 점에서 이목을 끈다.

어플라이드머티어리얼즈는 증착 장비로 유명한 기업이다. 증착은 반도체 칩 표면의 특정 부분에 아주 얇은 두께의 다양한 기능성 막(박막)을 입히는 과정이다. 이 박막의 성분에 따라 회로를 분리하기도 하고 연결하기도 한다. 특히 어플라이드머티어리얼즈는 게이트올어라운드(GAA) 공정에 쓰일 제품군을 개발했다고 최근 밝히기도 했다.

GAA 방식은 삼성전자가 3나노 반도체를 개발하기 위해 처음 도입하기로 한 반도체 트랜지스터 형태 구성을 뜻한다. GAA 공정을 사용해 3나노 반도체를 만들면 기존 공정(핀펫)을 사용했을때보다 성능은 30% 향상하고 전력 소모는 50%, 반도체 면적은 35% 감소하는 것으로 알려졌다.

GAA로 만들어진 반도체 트랜지스터는 매우 세밀한 공간 틈에서 게이트(전류가 흐르게 하는 전압 역할) 부분에 매우 얇은 증착을 해야 하는 문제가 있다. 이 때 어플라이드머티어리얼즈의 장비는 얇은 증착에도 불구하고 전류 누설을 최소화시켜 전력의 전반적인 낭비를 막을 수 있는 것으로 평가된다.

지난 2월 램리서치는 삼성전자의 3나노 반도체 공정에 활용되는 식각 장비를 한국에서 생산한다고 밝힌 바 있다. 램리서치는 반도체 공정 중 미세한 회로 모양을 깎아내는 공정(식각) 분야에서 세계적 수준의 기술력을 확보한 회사로 평가된다.

윤석열 대통령과 조 바이든 미국 대통령이 서명한 3나노 반도체 웨이퍼의 모습[연합]

그동안 램리서치의 최첨단 식각 장비는 주로 본사가 있는 미국에서 생산됐다. 그러나 신규 식각 장비를 국내 생산 거점에서 만들어 국내 반도체 기업뿐 아니라 세계 시장으로 수출하는 전략을 취하기로 했다. 지난해 경기 화성 발안 공장 운영 시작으로 국내 생산 능력을 2배 이상 끌어올린 것이 주효했단 평가다.

KLA 역시 반도체 계측·검사 부문에서 독보적인 글로벌 기업이다. 특히 3나노 반도체를 만들 때 극자외선(EUV) 노광장비를 활용해 회로를 그리게 될 때 KLA 제품의 필요성이 높다는 지적이다. 반도체 회로를 그리는 과정은 극자외선(EUV) 노광장비를 통해 이뤄진다. 이 과정은 마치 과거 흑백 사진을 만들 때 필름에 형성된 상을 인화지에 인화하는 것과 유사한 과정으로 설명된다. 극자외선(EUV) 노광장비를 바탕으로 설계 패턴이 새겨진 마스크의 원판에 빛을 쪼이면, 마스크를 통과한 빛이 반도체 웨이퍼 위에 닿아 화학반응을 통해 빛이 닿은 곳과 닿지 않은 곳을 나눠 회로 패턴을 그리는 것이다.

이때 이 웨이퍼에 회로를 그리는 마스크는 중요할 수밖에 없다. 이 마스크가 불량이면 그 이후 만들어진 웨이퍼들 역시 자동적으로 불량률이 높아질 수밖에 없기 때문이다. KLA의 고해상도 광학 웨이퍼 검사 장비는 관련 마스크에서 반복되는 아주 작은 결함까지 찾아내는 것으로 전해진다. KLA 장비는 검사를 통해 마스크와 웨이퍼 양면을 검사하는 등의 방식으로 미세화 공정에서 수율(제조품 중 양품의 비율)을 높이는 데 중요한 기능을 하는 것으로 평가된다.

특히 삼성전자가 3나노 공정이 진행되면서 이 공정을 조사하는 방식까지 달라져 이에 맞는 새로운 장비가 필요하다고 보고 KLA 역시 연구를 진행하고 있는 것으로 알려졌다.

김지헌 기자