장비: 팹을 채우는 기계

200억 달러는 어디로 가는가

3 nm급 로직 팹 한 동을 짓는 데 약 200억 달러가 든다는 말을 4장에서 했다. 그 돈으로 무엇을 사는가. 땅을 고르고 진동을 막는 두꺼운 바닥을 붓고, 공기 중 먼지를 거의 0으로 만드는 클린룸(Cleanroom)을 짓고, 도시 하나만큼의 전기와 초순수를 끌어오는 데 4분의 1쯤 쓴다. 나머지 4분의 3은 그 안에 들어갈 장비 값이다.

아래 트리맵은 팹 투자비를 면적으로 나눈 것이다. 타일 하나의 넓이가 그 항목에 드는 돈이다. 위의 버튼으로 로직·DRAM·3D NAND 팹을 바꿔 보면 장비 구성이 달라진다. 타일을 누르면 그 장비를 누가 만들고, 이 예산이면 몇 대쯤 들어가는지 아래에 나온다.

로직 팹에서 가장 큰 타일은 노광이다. 장비 예산의 약 4분의 1이 스캐너와 그 옆의 트랙에 들어간다. 식각과 증착이 그 뒤를 바짝 따른다. NAND 팹은 다르다. 노광 비중이 절반으로 줄고 식각·증착이 장비 예산의 60% 가까이를 차지한다. 무늬를 촘촘하게 찍는 것보다 수백 층을 쌓고 그 층을 한 번에 뚫는 것이 일이기 때문이다. 팹마다 다른 장비 회사가 웃는다.

국적 띠를 보면 장비의 거의 전부가 미국·일본·유럽 세 지역에서 온다. 반도체를 가장 많이 만드는 대만과 한국의 몫은 작다. 칩을 만드는 나라와 칩을 만드는 기계를 만드는 나라가 다르다. 이것이 13장의 지리와 14장의 수출 통제가 장비에서 시작되는 이유다.

웨이퍼 한 장이 지나는 1,000개의 문

장비가 왜 이렇게 많이 필요한가. 웨이퍼 한 장이 칩이 되기까지 같은 몇 가지 일을 수십 번 되풀이하기 때문이다. 막을 입히고(증착(Deposition)), 감광막을 바르고 회로 무늬를 빛으로 찍고(노광(Lithography)), 무늬대로 깎고(식각(Etch)), 씻고, 재고, 다음 층으로 간다. 한 바퀴가 한 층이고, 3 nm급 칩에는 이런 층이 80~90개 있다(IND.NODES의 마스크 수).

아래 시뮬레이터에서 웨이퍼 한 장을 직접 출발시켜 보자. 원 위의 아홉 정거장이 장비 종류이고, 웨이퍼가 정거장을 하나 지날 때마다 숫자가 올라간다. 오른쪽에는 층이 아래부터 쌓인다. 배선 층 수와 EUV로 찍는 층 수를 바꾸면 단계 수가 다시 계산된다. EUV를 0으로 내리면 무슨 일이 생기는지 꼭 보자.

끝까지 돌리면 기본값에서 약 1,360단계, 팹 안에서 약 90일이 나온다. 정거장 숫자를 보면 노광기 자체를 지나는 횟수는 전체의 7% 남짓이다. 하지만 노광 한 번을 위해 트랙을 두 번, 계측을 두 번 들르고, 그 앞뒤로 증착·식각·세정이 붙는다. 공정 단계 대부분이 노광 한 번을 준비하고 마무리하는 일이다.

EUV를 0으로 내리면 단계가 약 1,840개로 35% 늘어난다. 촘촘한 층 하나를 ArF로 세 번 나눠 찍으면 노광만 세 번이 아니라, 그 사이사이의 증착·식각·세정·계측이 모두 늘어난다. 단계가 늘면 기간이 늘고, 기간이 늘면 같은 생산량에 장비가 더 많이 필요하고, 결함이 끼어들 기회도 는다. EUV 한 대가 비싸도 팹이 EUV를 사는 이유다.

EUV: 2억 달러짜리 기계 한 대

팹에서 가장 비싼 기계는 EUV 노광기(Extreme Ultraviolet scanner)다. 파장 13.5 nm의 빛으로 회로를 찍는다. 이 빛은 공기에도, 유리에도, 거의 모든 물질에 흡수된다. 그래서 기계 전체가 진공 속에 있고, 렌즈 대신 거울만 쓴다. 그 빛을 만드는 방법도 기묘하다. 녹인 주석 방울을 초당 약 5만 개 떨어뜨리고, 강력한 레이저로 방울 하나를 두 번 쏴서 태양 표면보다 수십 배 뜨거운 플라스마를 만든다. 그 플라스마가 내는 빛을 모은다.

이 기계를 파는 회사는 세계에 하나, 네덜란드의 ASML이다. 하지만 ASML 혼자 만드는 것은 아니다. 거울은 독일 ZEISS, 레이저는 독일 Trumpf, 광원은 미국 샌디에이고의 자회사(옛 Cymer)가 만들고, 부품을 대는 회사가 약 5,000곳이다. 아래 그림에서 부품을 눌러 보자.

반사율 70%의 거울 12장을 지나면 빛은 0.7¹² ≈ 1.4%만 남는다. 광원이 250 W를 만들어도 웨이퍼에는 약 3.5 W가 닿는다. 그래서 EUV의 역사는 광원 출력을 올리는 싸움이었다. 출력이 수십 W에 머물던 시절에는 시간당 웨이퍼 몇 장밖에 못 찍어 양산에 쓸 수 없었다. 첫 양산 적용은 2019년이고, 개발을 시작한 지 약 30년 뒤였다. 거울 반사율이 몇 %포인트만 떨어져도 처리량이 무너진다는 것도 슬라이더로 보았다. 거울의 표면 오차가 원자 몇 개 수준이어야 하는 이유다.

그러면 이 비싼 기계로 한 번 찍는 데 얼마가 드는가. 장비 값은 5년에 걸쳐 나눠 갚고(감가상각), 해마다 장비 값의 일부를 유지보수에 쓰고, 약 1 MW의 전기를 먹는다. 그 비용을 1년 동안 찍는 웨이퍼 수로 나누면 '노광 한 번의 비용'이 나온다. 아래 곡선 위의 점을 좌우로 끌어 처리량을 바꿔 보자.

기본값에서 노광 한 번은 약 50달러, EUV 22층이면 웨이퍼 한 장에 약 1,100달러다. 2만 달러짜리 웨이퍼에서 EUV 스캐너 몫만 5% 남짓이다. 트랙·마스크·레지스트를 더하면 두 배쯤 된다. 그런데 월 10만 장 팹을 채우려면 EUV가 약 26대, 장비 값만 약 47억 달러가 필요하다. ASML 한 해 출하량(약 40~50대)의 절반을 팹 하나가 가져가는 셈이다.

여기서 앞의 트리맵과 숫자가 맞지 않는 것을 눈치챘을 수 있다. 200억 달러 로직 팹 트리맵에서 EUV는 14대 남짓이었다. 같은 팹을 EUV 22층으로 월 10만 장 돌리려면 26대가 필요하다. 둘 다 틀린 것이 아니라, EUV 층이 늘수록 '200억 달러로 월 10만 장'이라는 어림이 더는 성립하지 않는다는 뜻이다. 첨단 팹은 같은 돈으로 만들 수 있는 용량이 세대마다 줄어든다. 팹 한 동의 값이 해마다 오르는 이유가 여기 있다.

곡선의 모양이 중요하다. 노광 비용은 처리량과 가동률에 반비례한다. 시간당 웨이퍼 수가 반으로 줄거나 기계가 반나절 서 있으면 비용이 두 배가 된다. 그래서 장비 회사의 경쟁은 해상도만이 아니라 '시간당 몇 장, 몇 % 가동'의 싸움이다. 고객은 장비 값보다 웨이퍼 한 장당 원가(Cost of Ownership)로 장비를 고른다.

왜 몇 회사뿐인가

장비 시장은 작지 않다. 그런데 품목을 하나 고르면 그 시장의 주인은 한두 회사다. EUV는 ASML 한 곳, 감광막을 바르고 현상하는 트랙은 도쿄 일렉트론이 약 90%, 검사·계측은 KLA가 절반 이상, 식각은 램리서치가 절반 가까이 가진다. 이 쏠림을 숫자 하나로 재는 것이 허핀달-허쉬만 지수(HHI)다. 각 회사 점유율(%)을 제곱해 더한다.

아래에서 품목을 고르고 막대 끝을 끌어 점유율을 바꿔 보자. 한 회사의 몫을 바꾸면 나머지는 원래 비율대로 줄거나 는다.

여섯 개 품목 가운데 다섯이 HHI 2,500을 넘는다. 1위를 둘로 쪼개도 트랙과 EUV는 여전히 고집중이다. 왜 이렇게 되는가. 장비 하나를 개발하는 데 10년, 수십억 달러가 들고, 고객은 손에 꼽을 만큼 적다. 첨단 로직은 TSMC·삼성·인텔, 메모리는 삼성·SK하이닉스·마이크론이 사실상 전부다. 고객이 새 공정을 개발할 때 장비 회사가 함께 공정을 만들고, 한번 공정에 들어간 장비는 다음 세대에도 그대로 쓰인다. 바꾸려면 공정 전체를 다시 검증해야 하기 때문이다. 먼저 들어간 회사가 계속 이긴다.

장비 회사들은 매출의 약 10~15%를 연구개발에 쓴다. 칩 회사 못지않다. 그 결과가 아래 지도다. 버블 하나가 회사 하나, 넓이가 2024년 매출이다.

상위 다섯 회사 ASML, 어플라이드 머티어리얼즈, 도쿄 일렉트론, 램리서치, KLA가 전공정 장비 시장의 약 3분의 2를 가진다. 일본은 버블 수가 가장 많다. 대형사 하나에 세정의 SCREEN, 절단·연삭의 DISCO, 마스크 검사의 Lasertec처럼 좁은 품목에서 세계 1위인 회사가 여럿 붙어 있다. 한국과 중국의 버블은 작다. 한국 장비사는 자국 메모리 회사에 납품하는 비중이 크고, 중국 장비사는 2019년 이후 자국 팹의 국산화 수요를 타고 빠르게 크고 있다. 한국 장비 산업의 빈칸은 15장에서 다시 본다.

장비는 사이클을 증폭한다

3장에서 반도체 매출이 몇 년마다 출렁이는 것을 보았다. 장비 매출은 그보다 훨씬 크게 출렁인다. 칩 회사가 장비를 사는 것은 생산능력을 '늘릴' 때다. 수요가 10% 자라면 생산능력도 10% 늘려야 하고, 그 늘리는 몫만큼 장비를 산다. 수요 성장이 10%에서 0%로 멈추면 칩 매출은 그대로지만 장비 주문은 거의 0이 된다. 수요의 '수준'이 아니라 '증가분'에 반응하는 것, 경제학의 가속도 원리(Accelerator effect)다.

실제 숫자로 보자. 아래는 2008년부터의 세계 장비 매출과 반도체 매출이다. 그래프 위를 좌우로 끌면 그해 숫자가 나온다.

2009년 칩 매출은 약 9% 줄었지만 장비 매출은 약 46% 줄었다. 이듬해 칩 매출이 약 32% 늘자 장비 매출은 두 배 반이 되었다. 성장률의 표준편차로 재면 장비가 칩보다 약 세 배 크게 흔들린다. 2020년대에 들어 칩 매출 대비 장비 매출 비율이 15~19%로 올라간 것도 보인다. 첨단 공정일수록 같은 웨이퍼를 만드는 데 장비가 더 많이 들고(앞의 EUV와 다중 패터닝), 각국이 자국 안에 팹을 짓는 경쟁이 겹쳤기 때문이다.

왜 이렇게 되는지 모델로 확인해 보자. 3장의 사이클 엔진 IND.cycle은 가격이 오르면 증설을 주문하고, 그 설비가 몇 분기 뒤에야 돌아가는 구조다. 여기서 '증설 주문'이 곧 장비 주문이다.

기본값에서 칩 매출이 추세에서 ±5% 안팎으로 움직일 때 장비 주문은 그 세 배쯤 움직인다. 증설 지연을 10분기로 늘리거나 수요 충격을 넣으면 둘 다 커지고, 장비 주문이 평균의 5분의 1 밑으로 주저앉는 분기가 10개 넘게 생긴다. 가격이 오르는 동안 모두 장비를 주문하고, 그 장비가 한꺼번에 돌기 시작할 즈음 가격이 꺾이면 주문이 일제히 멈춘다. 장비 회사 입장에서 이것은 매출이 2년 만에 반토막 났다가 다시 두 배가 되는 일이다. 장비 회사들이 고정비를 줄이고, 서비스·부품 매출(설치된 장비의 유지보수)을 키워 바닥을 받치려는 이유다. 설치된 장비가 많을수록 불황에도 매출이 남는다.

AX-1을 위한 장비

이제 이어지는 타깃 AX-1로 돌아오자. 노바실리콘은 팹이 없다(4장). AX-1 웨이퍼는 파운드리의 3 nm 팹에서 나온다. 그 팹이 AX-1을 위해 장비를 얼마나 더 사야 하는가. 다이 806 mm², 웨이퍼 한 장에 좋은 다이 약 29개, 첫해 40만 개를 팔려면 패키징 수율 95%까지 감안해 웨이퍼가 월 약 1,220장 필요하다. 아래에서 판매량과 결함 밀도를 바꿔 보자.

AX-1 40만 개는 월 10만 장 팹 용량의 약 1.2%다. 웨이퍼 매출로 치면 파운드리는 1년에 약 3억 달러를 번다. 같은 웨이퍼로 노바실리콘은 100억 달러어치 칩을 판다. 첨단 팹 하나를 채우려면 AX-1 같은 칩이 수십 종류 필요하다. 파운드리가 여러 고객을 모아야 팹을 지을 수 있는 이유이고(9장), 노바실리콘이 팹을 짓지 않는 이유다.

결함 밀도를 올려 보면 장비 계산이 수율에 얼마나 민감한지 보인다. 수율이 반으로 떨어지면 필요한 웨이퍼와 장비가 두 배가 된다. 장비 투자의 많은 부분이 사실은 '불량 다이를 만드는 데' 쓰인다.