중국은 반도체제조의 "노광장비"를 만들어낼 수 있을까?

글: 천취백련(千吹百戀)

 

두 사람의 유명인사는 아주 재미있다. 한명은 린이푸(林毅夫)로 타이완에서 태어났지만 나중에 대륙에 정착한다. 그는 북경대학 국가벌전연구원 명예원장이다. 또 한명은 장중머우(張忠謀)이다. 그는 대륙에서 태어났지만, 나중에 대만에서 창업했고, TSMC의 창업자이다. 이 둘의 인생궤적은 정반대이다. 한 사람은 타이완에서 대륙으로, 또 한 사람은 대륙에서 타이완으로. 더욱 재미있는 것은 그들이 대륙의 반도체발전에 대한 견해가 완전히 상반된다는 점이다. 장중머우는 중국은 EUV노광장비를 만들지 못하기 때문에, 거국적인 투자를 하더라도 고급반도체칩은 생산해낼 수 없다고 말했다. 린이푸는 그러나 2년전에 호언장담한 바 있다. "우리의 현재 경제, 과학기술, 산업실력으로 짧으면 1,2년 길면 3,5년내에 돌파할 희망이 있다."

 

지금 2년이 지났다. 중국대륙의 EUV노광장비는 정말 돌파의 희망이 보이는 것일까? 린이푸와 장중머우의 견해중 누구의 말이 더 맞는 것일까?

 

과거를 돌아보면, 중국대륙은 확실히 과학기술상 중대한 돌파구를 마련한 적이 있다. 중요한 것으로는 양탄일성(兩彈一星, 원자폭탄, 수소폭탄과 인공위성), 대륙간탄도탄과 우주정거장. 그외에 많은 일반적인 분야에서 예를 들어 중국대륙에서 만들어내지 못한다고 조롱받던 볼펜심의 구슬이 있었다. 그러나 나중에 과학연구기술자들의 노력으로 60톤을 만들어냈고, 이는 전세계가 10년은 충분히 쓸 수 있는 양이다.

 

단지, EUV노광장비는 위에서 말한 것들보다 훨씬 어렵다. '정력을 집중하여 대사를 완성한다'는 방식으로 노력한다고 하더라도, 짧은 기간내에 효과를 볼 수 있는 것이 아니다. 원자폭탄이 1번국가기밀이고, 인민폐제작이 2번국가기밀이다. 만일 EUV노광장비를 만들어낸다면 아마도 0호가 될 수 있을 것이다.

 

여기까지 쓰다보니 돌연 한 가지 사건이 생각났다. 그것은 2차대전기간의 대사이다. 2차대전에 미국이 참전한 후, 영국과 힘을 합쳐서 독일에 대한 대규모폭격을 감행한 바 있다. 예를 들어, 철강공장, 고무공장, 비행기공장, 자동차공장....독일의 루르공업단지는 폭격으로 검은 연기만 치솟았다. 다만 독일의 전쟁기기는 분명하게 약화되지 않았다. 미국의 폭탄은 유한했고, 비행기손실도 아주 컸다. 어떻게 할 것인가? 어떻게 해야 유한한 폭탄으로 독일의 전쟁기기를 분명하게 약화시킬 수 있을까? 그러려면 독일의 군수공업의 급소를 찾아야 한다.

 

이때, 소련의 경제학자이며 나중에 노벨경제학상을 받은 바실리 레온티예프는 독일군수공업체계에 대하여 시스테적으로 분석한 후, 금방 거의 모든 군수공업제품에 쓰이는 부품을 발견한다. 베어링! 그리고 독일의 베어링중 60%는 인규 겨우 4만의 소도시 바바리아주의 쉬바인푸르트에서 생산되었다. 그리하여, 미국의 비행기가 벌떼처럼 몰려와서 그곳의 베어링공장을 철저히 파괴시켜버린다. 이리하여 2차대전은 빠르게 끝날 수 있었다. 노르만디상륙작전이후, 연합군은 독일군이 우마차를 이용하여 전쟁물자를 운송하는 것을 보았다. 이래가지고야 어찌 패튼장군의 강철파도를 막아낼 수 있었겠는가?

 

중국은 개혁개방40여년동안, 과학기술의 진보가 눈부셨다. 그중 화웨이의 발전이 가장 돋보였다. 핸드폰, 통신분야에서 일찌기 경쟁자들을 압도했다. 화웨이핸드폰의 판매량은 일찌기 삼성과 애플을 누르고 세계1위를 차지한 적도 있다. 미국의 애플은 화웨이의 스승이다. 화웨이의 여러 경영전략과 기술지표는 모두 애플에게서 배운 것이다. 현재 제자가 스승을 추월하게 되었다. 당연히 스승으로서는 기분이 좋지 않을 것이다. 비지니스경쟁은 기실 포연없는 전쟁이다. 미국인의 경제두뇌는 발군이다. 금방 중국과학기술이 급소를 찾아낸다: 고급반도체칩. 확실히 그러했다. 미국이 대중국 고급반도체칩수출금지조치를 실행한 후, 화웨이의 5G핸드폰은 얼마후 사라져버린다.

 

기실 반도체칩은 정보시대에 있어서 중요성이 전쟁시대의 군수공업품내의 베어링의 중요성보다 훨씬 두드러진다. 어떤 사람은 반도체칩이 그다지 중요하지 않다고 생각한다. 그리고, 국내의 중하급 반도체칩만으로도 80%의 시장수요를 맞출 수 있다고 말한다. 만일 대국의 중요의사결정자가 이런 견해를 가지고 있다면 그것은 아주 치명적이다. 왜냐하면 비지니스와 전략경쟁은 겉으로 보기에는 포연이 보이지 않는다. 그래서 어떤 사람은 반도체칩의 낙후가 그다지 겁나는 일이 아니라고 여길 수 있다. 만일 전쟁터에서라면, 반도체칩의 우열이 가져올 결과는 바로 나타날 것이다. 예를 들어, 미래전쟁은 대량의 로봇전사들이 활약할 것인데, 만일 교전 쌍방의 로봇에서 지휘중추가 되는 반도체칩의 성능에 차이가 있다면, 그중 설사 한쪽이 0.1초만 상대방보다 위치를 늦게 계산하더라도 죽을 수밖에 없다. 마치 영화 <Enemy at the Gates>에서 바실리가 결국 먼저 독일의 저격수 쾨니히 소령을 발견하는 것과 마찬가지로, 바실리가 먼저 발견하여 조준했을 때, 기실 독일저격수도 반초면 총을 들어 바실리를 죽일 수 있었다. 그러나 이 반초의 차이로 생과 사가 갈린 것이다. 독일저격수에게는 기회가 없었다.

 

반도채칩의 원리는 아렵지 않다. 인류의 두뇌로 생각할 수 있는 것은 현존설비가 생산해낼 수 있는 범위를 훨씬 넘어선다. 세계의 대다수 반도체칩은 PN접합의 단방향전도원리를 이용하여 설계제작하는 것이다. PN접합의 정방향으로 전기가 흐르면 '1'을 의미하고, 반대로 전기가 흐르면 '0'을 의미한다. 이렇게 하면 반도체공법기술을 이용하여 에칭, 패터닝, 클리닝을 통하여 붕소원자와 인원자로 형성된 수억의 PN접합을 만들어, 반도체칩을 제작하는 것이다. 이렇게 하면 0101의 이진법으로 계산하고 나중에 다시 이진법으로 계산한 결과를 십진법으로 변환시게 된다. 예를 들어, 이진법의 0에 대응하는 십진법은 0이고, 이진법의 1에 대응하는 십진법은 1이며, 이진법의 10에 대응는 십진법은 2이고, 이진법의 11에 대응하는 십진법은 3이고, 이진법의 100에 대응하는 십진법은 4이다....이렇게 하면 하나의 반도체칩의 PN접합이 많게 되면 가볍게 계산을 수행할 수 있게 되는 것이다. PN접합이 많을수록 더욱 복잡한 데이타를 처리할 수 있고, 계산속도는 더욱 빨라지는 것이다.

 

반도체칩의 제조절차는 정교하고 세분화되어 있다. 웨이퍼제조, 산화, 포토, 식각, 증착, 패키징까지. 모든 단계가 다 중요하다. 단지 포토공정은 반도체칩 PN결정체관의 수량의 다소를 결정하는 가장 핵심기술중 하나이고, 그래서 노광장비의 성능이 특히 핵심이 되는 것이다. 

위의 도면에서 보는 것처럼 노광장비의 3대 핵심구성부분은 광원(光源), 광학의기(光學儀器)와 쌍공작대(雙工作臺)이다. 노광장비가 최고의 성능에 도달하려면 먼저 노광장비의 해상도(分辨率, resolution)가 현재 인류가 도달할 수 있는 극한에 이르러야 한다. 노광장비의 해상도는 노광장비가 최소도상을 분명하게 투영할 수 있는 능력을 표시하고, 노광장비가 공법수준의 몇 나노미터수준까지 도달할 수 있는지를 결정한다. 레일리-진스공식은 다음과 같다:

위의 공식에서 R은 해상도를 표시한다. λ는 광원파장이고, k1은 공법인자계수이다. NA(Numerical Aperture)는 광학계통의 개구수로 빛의 전파를 좌우하는 입사각을 결정하는 수치이다. 공식을 보면 알 수 있듯이, 공법인자계수를 감소시키고, NA를 증가시키고, 광원의 파장을 줄이면 해상도를 제고할 수 있다. EUV는 바로 현재 도달할 수 있는 최소의 극자외선파장이다. 2005년경, DUV노광장비는 이미 극한까지 발전한다. 반도체공법은 28나노미터이하의 칩을 만들기 어려워졌다. 이렇게 방법을 찾지 못하고 있을 때, 미국의 Cymer회사는 그들이 극자외선(EUV)방면에서 기술적인 돌파구를 마련했다고 선언한다. 극자외산의 파장이 13.5나노미터까지 이를 수 있게 할 수 있다는 것이다. 그들은 20kw의 레이저를 이용하여 공중에서 떨어지는 액체 석주(錫珠)를 때린다. 이들 액체방울은 직경이 아주 작아서 겨우 20밀리미터이다. 대체로 머리카락직경의 1/3에 해당한다. 그리고 액체방울은 진공환경에서 자유낙하하는 상태가 된다. 그리고 같은 액체발울은 극히 짧은 시간내에 연속으로 두번 충격한다. 첫빼 충격으로 그것을 편평하게 만들고, 두번째 충격으로 그것을 기화시킨다. 그렇게 하여 빛을 내는 플라즈마가 된다. 그렇게 하면 강도가 충분한 극자외선이 만들어진다. 더욱 중요한 것은 충격으로 생겨나는 빛은 순식간에 사라진다. 그러므로 매초당 약 5만회의 충격을 가할 필요가 있다. 그래야 빛이 지속적으로 나오게 된다. Cymer회사의 EUV광원을 ASML의 노광장비에 응용할 때, 광원파장이 크게 감소되어, EUV노광장비의 해상도를 크게 제고시킨다. 7나노미터이하의 반도체칩도 만들 수 있게 된다. 글로벌반도체업체는 대약진을 이루게 된 것이다. 현재 세계에서는 단지 2개 회사만이 EUV광원을 제조할 수 있다. 하나는 Cymer이고, 다른 하나는 일본의 Gigaphoton이다. 바로 지닌 달에, 매체는 하르빈공대에서도 EUV광원을 성공적으로 연구개발했다는 보도를 했다. 만일 그것이 정말이라면 정말 칭찬받을 만한 일이다.

 

헤상도를 제고하는 또 다른 방법은 NA를 증대시키는 것이다. ASML의 EUV노광장비의 NA는 독일 Zeiss가 제공한 것이다. 중요한 것은 전세계에서 오직 Zeiss만이 EUV에 필요한 NA를 만들어낼 수 있다는 점이다. 전통적인 노광장비 예를 들어 DUV는 촬영에 유사한 공법이다. 자외선을 렌즈를 통하여 모아서, 웨이퍼에 설계한 전기회로의 도안을 새길 수 있는 것이다. 그러므로 DUV노광장비는 독일의 Zeiss가 기준에 도달할 수 있을 뿐아니라, 일본의 니콘도 기준에 도달할 수 있다. 실제로 DUV노광장비는 고정밀도의 카메라이다. 그러나, DUV의 렌즈는 EUV의 노광장비에 사용할 수 없다. 광학렌즈는 가시광선에 대하여만 유효하기 때문에, 극자외선에는 효과가 없다. 그래서 렌즈를 통해서 모을 수가 없는 것이다. 그리고, 극자외선은 단지 진공의 환경하에서만 전파된다. 비교적 미약한 극자외선을 칩에 전송하기 위해서 독일의 Zeiss는 광학프라그반사기원리를 이용했다. 브라그반사기(distributed Bragg reflector, DBR)는 도파관에 사용되는 반사기이다. 빛은 서로 다른 매개체를 통과할 때 표면에 반사한다. 반사율의 크기는 매개체의 굴절율의 크기와 관련이 있다. 그러므로, 만일 우리가 서로 다른 굴절률의 박막을 상호 주기적으로 쌓게 되면, 빛은 이들 서로 다른 굴절율의 박막을 통과할 때, 각층의 반사로 도라오는 빛이 각도의 변화로 인해 서로 간섭되고, 그후 상호 결합하여 강렬한 반사광을 만들 수 있다.

ASML회사의 EUV노광장비에서 채용한 독일 Zeiss의 반사경은 몰리브덴과 실리콘의 다층막으로 설치하여 마침 EUV파장의 1/4이 되었다. 매개체의 양면에서 반사되는 간격이 마침 파장의 1/2이 된다. 이렇게 하여 상호간섭을 없앨 수 있었고, 반사광의 강도가 증강되었다. 몰리브덴-실리콘의 다층막 매개체는 EUV노광장비에 40여개층으로 철치되고, 매 층의 두깨는 4나노미터가 되지 않는다.

 

현재 이렇게 뛰어난 반사경을 제조할 수 있는 회사는 오직 독일의 Zeiss 하나이다. 실로 일지독수(一枝獨秀)라 할 수 있다. 국내의 창춘(長春)광학도 밤낮을 계속하여 연구개발하고 있다고 하나, 독일의 Zeiss와 비교하면 차이가 너무나 크다.

 

국내의 노광장비 연구게발과 제작이 낙후된 것에는 깊이 반성해야할 역사상 중국사회구조의 심층적인 원인도 있다. 중국은 자고이래로 이관치민(以官治民)의 국가였다. 관료는 백성들과의 관계에서 군계일학이었고, 지위가 높았다. 중국사회학은 공부를 잘하면 관리가 된다는 관념이 뿌리깊다. 그러나 실제로 공부를 잘 하는 사람이 반드시 관료로 적합한 것은 아니다. 더욱 중요한 것은 사회의 발전과 진보는 소수의 관료에 의해 추진될 수 있는 것이 아니다. 전사회의 번영은 각 업종의 균형있는 발전이 필요하다. 인재를 골고루 배치하는 것이 필요하다. 그러므로, 공부를 잘하면 관료가 된다는 것은 마땅히, 공부를 잘하면 여러 가지를 시험하게 해야 한다로 바뀌어야 한다. 각 학과의 학자들이 공부를 마친 후 자신이 잘하고 좋아하는 분야에서 성취를 얻을 수 있게 해주어, 연구에 전념할 수 있게 해야 한다. 중국의 정부기구는 과학연구인원에게 전방위적인 지지와 내심으로부터 우러나오는 존경을 보내야 한다. 그들이 학술분야에서 계속하여 연구를 지속할 수 있도록. 과장, 처장, 국장등 지위에 연연하지 않을 수 있도록. 누구든지 실적을 내면 팀장이 되어야 한다. 기실 많은 학문을 하는 사람들은 관료가 되는 것을 좋아하지 않는다. 다시 말해서 이공과의 학생들이 공부를 마치고 관료가 되는 것은 기실 큰 낭비이다. 청화대학출신의 주룽지, 후진타오나 원자바오같은 사람들은 만일 과학기술에 매진했더라면 아마도 중국의 사화번영에 더욱 큰 기여를 했을지도 모른다. 다시 말해서 관직은 수량이 유한하다. 그래서 그렇게 많은 인재를 포용할 수 없다. 그러므로 엘리트들에게 공부를 마친 후 혹은 공부를 마칠 때쯤, 왕왕 관료로 나갈 길도 없고, 전망이 보이지 않아 방황하는 기간이 있게 된다. 그리하여 해외로 유학을 가고, 그후 많은 수의 엘리트들이 외국의 과학연구기관에 남아있는다. 예를 들어, 미국의 실리콘밸리는 외국의 과학기술자들중 골간들이 몰려 있다. 

 

중국이 만일 반도체산업을 진흥시키려면, 반드시 장기적인 발전계획을 세워야 한다. 근본적으로 사상과 관념을 바꾸어야 한다. 반도체과학연구인원에게 여러 방면에서 필요한 지원을 해주어야 하고, 또한 그들에게 내심에서 우러나오는 존경을 보내야 한다. 반도체업종에 종사하는 것은 아주 재미없는 일이다. 등홍주록에 빠져 있는 사람들로서는 상상할 수도 없는 생활이다. 그들은 하루 종일 클린룸에서 온몸을 꼭 싸매고 화장실에 가는 것도 불편할 정도이다. 어떤 때는 하나의 데이타를 얻기 위하여, 하루종일 몇마디 말도 하지 않는다. 그저 기계 앞에서 차례차례 테스트한다. 수입은 불쌍할 정도로 낮다. 옛날 원자폭탄을 제조했던 기술자들의 수입이 차엽단(茶葉蛋)을 삶아서 파는 사람들보도 못했던 것과 마찬가지이다. 그런데도 그들은 열심히 일하면서 하루종일 맛있는 음식이나 먹고 놀러다니는 사람들에게 무시당한다. 그런 사회의 벌레들에게 바보취급을 당하는것이다. 이런 사회환경하에서는 국내의 반도체산업이 발전할 수 없다. TSMC가 발전한 것은 바로 묵묵히 일하는 엔지이너들이 계속하여 시험하고 테스트했기 때문이다. 이들 엔지니어들은 타이완에서 정부관리들과 민중으로부터 존경받는다. 그리고 국제사회에서도 칭찬받는다. 중국사회가 만일 국내의 반도체산업을 일으키려면, 반드시 반도체과학연구와 생산에 투신하는 과학연구인재와 생산기구의 엔지니어들이 자신의 역량을 충분히 발휘할 수 있도록 그들에게 존중을 해주어야 한다. 그래야 비로소 국내반도체과학연구에 종사하는 연구인원과 반도체공법의 엔지니어들이 집중하여 일에 매진할 수 있을 것이다. 만일 선순환의 환경이 형성되면, 해외에서 반도체업종에 종사하던 엘리트들이 돌아오게 될 것이고, 이는 반도체산업의 발전에 더욱 유리할 것이다. 당연히 필요한 재무관리감독을 필수적이다. 그렇지 않으면 "한심(漢芯)사건"같은 유사한 사건들이 발생하게 될테니까.

 

중국의 노광장비 연구제작은 지금 걸음마가 너무 늦었다고들 말한다. 기실 1977년에 중국은 GK-2형 반자동노광장비를 제작한 적이 있다. 그때는 ASML이 아직 설립도 하지 않았을 때이다. 그래서 실제로 중국의 시작은 그다지 늦지 않았다. 단지 중국의 반도체연구는 많은 경우 실험실과 소규모생산에 머물렀다. 서방 특히 미국은 거대한 시장을 형성했고, 거대한 시장수요가 있어서 풍성한 이윤을 가져다주었다. 그렇게 되니 이윤의 일부분을 다시 연구개발에 투입했고, 다시 더욱 좋은 제품을 개발해냈다., 시장에 투입되면 다시 더욱 큰 이윤을 가져다 주었다. 이런 식으로 선순환이 형성된 것이다. 국내에서는 그런 선순환구조가 없었다. 그러므로, 반도체산업과 생산설비(노광장비 포함)는 서방보다 몇세대 낙후되어 버린다. 다행히 중국은 현재 선순환의 반도체시장은 형성되어 있다. 비록 첨단반도체공법과 EUV노광장비의 제조는 아주 곤란하지만, 그것도 인간이 만드는 것이고, 신이 만드는 것은 아니다. 사람이 만드는 것이라면, 중국인들도 결국은 만들어낼 수 있는 것이다. 단지 언제 만들어낼 수 있느냐의 문제이다. 서방보다 너무 많이 낙후되지 않음녀 되는 것이다. 장래 양자칩으로 우회추월할 수 있을지도 모른다. 전통적인 실리콘베이스의 칩은 한걸음 한걸음 발전해 온 것이다. 그래서 양호한 안정성이 있고, 예견가능한 장래에 광범위한 용도가 있다. 그러므로 고가의 반도체칩은 우회할 수가 없는 것이다. EUV노광장비를 만들어내야만 한다. 현재 ASML의 EUV노광장비가 현제 세계에서 가장 좋은 광원제조상, 가장 좋은 광학기기제조상(독일 Zeiss)와 가장 정밀한 자동화설비제조상을 결합시켜서, 거의 전인류의 역학, 광학, 기계, 자동화, 정밀기기, 고분자화학, 패턴인식의 최첨단기술을 모아놓은 것이라 할 수 있다. 그래서 중국이 만일 EUV노광장비를 만들어내고자 한다면, 십종경기 운동선수처럼 열개 종목의 모든 종목의 세계기록을 돌파하거나 최소한 비슷한 수준으로 따라가야만 한다. 단순히 총합계가 세계1위가 되는 것만으로는 부족하다. 그래서 린이푸가 말한 3,5년내에 만들어낼 수 있다는 것은 너무 낙관적이다. 3,5년이라는 시간내에는 만들어낼 수가 없다. 다만, 장중머우가 말한 것처럼 그렇게 비관적이지도 않다. 중국이 영원히 EUV노광장비를 만들어내지 못하지는 않을 것이다.

 

중국의 노광장비가 언제 만들어질 수 있을까? 이는 국내의 민중들이 보고 있을 뿐아니라, 해외의 경쟁상대방들도 보고 있다. 중국의 사방에 있는 이웃나라들은 더욱 주목하고 있다. 중국이 '두들겨맞아도 죽지 않는 강자'가 되어야 한다. 미국이 무엇을 금지하든, 그다지 많은 시간이 걸리지 않고 만들어내야 한다. 그래야 주변의 형제국가들(예를 들어 북한, 라오스, 캄보디아, 파키스탄, 네팔과 아프가니스탄등)이 중국을 기꺼이 따르게 될 것이다. 러시아와 인도같은 양대 대국도 진심으로 지금보다 더욱 중국과의 교류를 강화하고 심화시킬 것이다. 몽골도 그때가 되면 부득이 현실을 직면하고, 낭자회두(浪子回頭)로 내몽골과의 경제교류를 강화할 것이다. 이렇게 되면 중국의 주변은 인구가 개략 전체인구의 절반에 이르는 거대한 경제권이 형성될 것이다. 이런 경제권이 일단 형성되고나면, 중국은 명실상부한 수퍼강국이 될 것이다. 만일 그때가 된다면 중국의 고속철이 아랍세계까지 뚫릴 것이고, 다시 다시 유럽과 아프리카로 향할 것이다. 그렇게 되면 유라시아 및 아프리카의 삼대주의 경제무역은 갈수록 흥성해질 것이고, 핵발전소는 아마도 현재의 핵분열발전에서 핵융합발전으로 업그레이드될 것이다. 전력은 써도써도 고갈되지 않고 비용도 아주 싸게 될 것이다. 그때가 되면 전세계는 전동고속철과 전동자동차가 주요교통도구가 되어 생기가 넘치는 세계로 될 것이다. 그때 아마도 중동에서는 아마 누구도 테러리스트가 되려하지 않을 것이고, 소말리아와 이디오피아에서는 누구도 해적이 되려고 하지 않을 것이다.