M1 기반의 신규 맥북 프로 , 시장의 엄청난 호평

애플 실리콘이라 불리는 M1 칩이 처음 적용된 신형 맥북 프로가 발매된 지 약 4개월이 지났다. 이 제품에 대한 시장 반응은 그야말로 엄청나다. 처음에는 과연 기존 맥북 제품을 대체할 수 있을까 반신반의했지만, 이제는 M1 이후 버전에 대한 기대감이 높아지고 있는 형국이다. 기본적으로기본적으로, 신형 맥북 프로는 기존 인텔 CPU가 적용된 맥북 프로에 비해 사용 시간이 2배 가까이 증가했고, 성능은 거의 유사하거나 어떤 면에서는 이를 능가하기도 한다.

애플은 10W 전력소모 기준으로 M1 칩이 다른 노트북용 CPU에 비해 2배 가까운 성능을 내고 있고, 최고 성능을 사용 중일 때 기준으로 전력소모가 25%에 불과하다고 설명한다. 또한, 와트당 CPU 성능이 기존 대비 3배 증가했다고 밝혔다. GPU 성능도 이와 다르지 않다. 10W 전력소모 기준 성능이 2배 높아졌고, 최고 성능 기준 전력소모는 기존 대비 33%에 불과하다. 애플은 노트북의 성능과 전력소모 2가지를 모두 만족시켜주는 이상적인 제품을 설 계한 것이다.

벤치마킹 전문 업체의 분석 데이터도 애플의 주장과 크게 다르지 않다. Geekbench에 따르면, M1 칩이 인텔 i5 코어 CPU를 크게 앞서고 있고, 7나노 기반의 AMD Ryzen 7 CPU와 비교해봐도 대등한 양상을 보이고 있다.

전자현미경 시장과 새롭게 등장하는 원자현미경 시장 

Ebeam 을 활용한 전자현미경은 과거 CD시장에서 주로 사용되어 왔으나 , 패턴결험검사 Inspe ction) 나 Review 단에서의 시장은 지속 확대되어 가고 있다 . 해당시장에서는 일본의 Hitachi 가 강자이다 . 광학의 강자 KLA 또한 전자현미경 라인업을 확보하며 해당 시장을 준비하고 있다. 

또한 전자현미경에서도 여전히 검출하지 못하는 미세화된 Layer 단에서의 defect 들이 많다고 추정된다. 이에 따라 새롭게 원자현미경 (AFM, Atomic Force microscope) 이 진입하고 있으며 방향성은 명확해 보인다. 원자현미경은 점차 해당 시장 내 침투를 확대해 나갈 것이다. 다만 여전히 속도가 느리기 때문에 쓰루풋 처리량 에 대한 개선은 지속 필요할 것이다

Process Control은 반도체 불량을 예방하기 위해 필요한 공정

Process Control(공정 제어)이란 크게 inspection(검사), Metrology(계측), Review로 이루어져 있으며 , 반도체 제조 환경 내 수율 적용의 전체 범위를 다루고 있는 공정이다 . 간단하게 반도체 제작 과정 중간중간에 개입하여 검사 , 계측 , 리뷰 등의 업무를 수행하여 결함을 검출 , 검사하여 사전에 불량을 예방하여 품질을 높이는 공정이라고 생각하면 된다

Process Control: 시장 성장성 확대와 국내 업체 등장이 본격화되고 있다

Process Control공정은 반도체 WFE(Wafer Fab Equipment, 장비시장) 시장에서 약 11~12% 수준을 차지하고 있는 4 대 공정임에도 시장에서 관련된 공정에 대한 이해나 관심이 여전히 부족하다 . 광학과 전자 , 알고리즘 등이 결합되어 있는 공정 으로 복잡하 며 , 반도체 3 대 공정 노광 , 식각 , 증착 ) 대비 팹 당 들어가는 장비대수가 제한적이어서 관심이 덜했던 측면이 존재했다고 판단한다 . 그러나 앞으로는 어려워지는 공정과 EUV 의 등장 반도체 구조의 변화 속 에서 관련된 검사 , 측정 , 계측 시장이 확대될 것이다. 또한 국내업체들 이 곳곳에서 등장하며 국산화를 바탕으로 한 점유율 확대, 기술력을 통한 새로운 시장에 서의 선점효과들이 이어질 것이다. Process Control 시장에 대한 관심 의 확대가 필요하다

증착은 웨이퍼 위에 특정한 물질을 분자 혹은 원자 단위로 일정한 두께를 가지도록 입히는 과정이다 . 일반적으로 특정 물질에 직접 에너지를 보내 증착하는 물리적 기상 증착 (PVD, Physical Vapor 과 반응 가스들의 반응으로 물질을 증착하는 화학적 기상 증착 (CVD, Chemical Vapor 으로 분류한다.

PVD의 경우 , 주로 증발법보다는 플라즈마를 이용한 Sputtering 증착을 이용하는데 , 금속막을 증착할 때 주로 사용한다 . 상대적으로 막질이 우수하고 , CVD 보다 화학물질 사용량이 적고 진공상태에서 진행하기 때문에 불순물 오염정도가 낮다는 장점이 있다.

CVD의 경우 , 가장 사용량이 많은 증착 방식이며 , 가스의 화학적 반응을 이용하기 때문에 방식이 간단하고 저렴하며 , 화학 반응식을 이용하기 때문에 선택비가 높은 장점이 있다 . 다만 화학 가스를 사용하기 때문에 불순물 오염정도가 높다는 단점이 항상 존재한다.

ALD의 경우 , 원자 단위의 증착으로 가장 박막의 S/C 나 선택비가 높고 , 원자 단위로 원하는 막을 차례로 도포하기 때문에 공정 컨트롤이 쉽다는 장점이 있다 . 그러나 역시 막을 성장시키는데 시간이 너무 많이 소요되어 throughput 이 떨어진다는 단점이 존재한다

반도체 핵심 소자인 Transistor를 구현할 때, Foundry 전공정에 요구되는 것은 처리 속도를 증가시키고, 소비전략을 감소시키는 것이다. Transistor의 선폭이 좁아지면, 누설전류(Leakage Current)가 발생하여 Short Channel Effect가 발생한다. 누설전류가 발생할 경우, 전력소모량이 많아진다. 현재까지 Foundry 업체들은 HKMG(High-k Metal Gate)와 FinFET 공정을 적용하여 기술을 개발해 왔다.14nm 선폭부터 적용되어 온 FinFET 공정이 4nm 미만 선폭에서는 한계를 보일 가능성이 높다.

그래서 Foundry 업체들은 GAA(Gate All Around) 공정을 적용할 전망이다. 언론 보도에 의하면, 삼성전자는 3nm 선폭부터, TSMC는 3nm 또는 2nm부터 GAA공정을 적용할 계획이다.

GAA를 적용하는 이유는 FinFET과 동일하다. 두 공정 모두 Transistor의 전류가 이동하는 소스와 드레인 사이에 구조를 개선하여 접촉 면적을 늘리고(속도를 증가시키고), 물고기 지느러미 모양처럼 쥐어짜게 만들어 누설전류를 최소화하는 접근이다. GAA는 FinFET보다 전류가 이동하는 접촉 면적이 넓고 전류가 흐르는 채널 4면을 Gate가 둘러싸고 있다. FinFET보다 채널 조정 능력을 추가적으로 개선시킨 방법이다.

GAA는 Transistor 구조를 전면적으로 변경하는 것이기 때문에, 공정 기술상 많은 어려움이 등장할 것으로 전망된다. 구조 변화로 인해 Vth(Threshold Voltage)등 Transistor Engineering이 매우 어려워 진다. 최적의 Transistor 조건을 찾기 위해 상당한 연구 개발 기간이 필요하다. 또한 소스 및 드레인 영역에 pit 또는 hole이 발생할 가능성이 높고, Dry Etch시 PR(Photo Resist)이 마스크 역할을 제대로 수행하기 어려워 Patterning 난이도가 상승할 것이다