뉴스에 나오는 ‘옹스트롬 시대’란? 옹스트롬은 얼마나 작을까

옹스트롬은 길이 단위다. 1옹스트롬은 0.1나노미터, 즉 100억분의 1미터이고, 거꾸로 말하면 1나노미터는 10옹스트롬이다. 기호는 Å이다. 뉴스에서 말하는 ‘옹스트롬 시대’는 ‘몇 나노’로 내려오던 공정 세대의 이름이 2나노 아래로 작아지면서 옹스트롬으로 부르게 되었다는 뜻이다. ‘2나노’와 마찬가지로 이것은 한 세대의 이름이며, 칩 위의 어떤 구조가 정확히 몇 옹스트롬으로 측정된다는 뜻이 아니다.

옹스트롬이란? 이름은 어디서 왔을까

나노미터는 10억분의 1미터이고, 옹스트롬은 그보다 다시 10배 작다.

이 단위의 이름은 19세기에 빛을 연구한 한 물리학자에게서 왔다. 이 물리학자는 햇빛을 스펙트럼으로 나누고, 스펙트럼에 나타나는 가는 선 하나하나의 파장을 측정했는데, 이때 쓴 크기가 바로 100억분의 1미터였다. 이후 사람들은 이 물리학자의 이름을 따서 이 단위를 부르게 되었다.

옹스트롬은 국제단위계(SI, 미터·킬로그램·초 체계)의 정식 단위는 아니지만, 과학에서는 이미 100년 넘게 쓰여 왔다.

1옹스트롬은 얼마나 작을까?

대략 원자 하나의 크기다. 대부분의 원자는 폭이 1옹스트롬에서 몇 옹스트롬에 불과하다. 실리콘이 결정을 이룰 때 이웃한 두 실리콘 원자의 중심은 약 2.35옹스트롬 떨어져 있다. 따라서 1나노미터(10옹스트롬) 안에는 실리콘 원자가 몇 개밖에 들어가지 않는다.

주변의 사물과 비교하면 다음과 같다(모두 대략적인 규모다).

대상	대략적인 크기
머리카락 한 가닥의 굵기	수십만 옹스트롬
세균	1만 옹스트롬 안팎
바이러스	1,000옹스트롬 안팎
1나노미터	10옹스트롬
이웃한 두 실리콘 원자 사이의 거리	2옹스트롬 남짓

그래도 감이 오지 않는다면 1옹스트롬을 자의 가장 작은 눈금 한 칸, 즉 1밀리미터로 확대해 보자. 두 실리콘 원자 사이는 2밀리미터 남짓이 된다. 바이러스는 약 1미터로 어린아이 키만 하고, 세균은 약 10미터로 3층 건물만 하다. 머리카락 한 가닥은 굵기가 수백 미터에서 1킬로미터에 이르러 작은 산보다 넓어진다.

옹스트롬은 예전에 어디에 쓰였을까?

뉴스가 ‘옹스트롬 시대’를 말하기 훨씬 전부터 과학계와 팹은 옹스트롬을 일상적으로 써 왔다.

• 원자와 결정: 원자의 크기나 두 원자 사이의 거리는 옹스트롬으로 쓰면 한두 자릿수의 숫자로 딱 떨어진다. 실리콘 원자는 가지런히 배열되는데, 그 안에서 계속 반복되는 작은 격자 한 칸의 한 변이 약 5.4옹스트롬이다.
• 빛의 파장: 예전에는 스펙트럼을 연구할 때 파장을 흔히 옹스트롬으로 적었다. 사람의 눈에 보이는 빛은 약 4,000~7,000옹스트롬이다.
• 팹의 박막: 칩은 층층이 쌓아 올려 만들며, 가장 얇은 층은 몇 나노미터에 불과하다(‘박막 공정이란?’ 참고). 팹에서는 이런 두께를 흔히 옹스트롬으로 측정하는데, 숫자를 적기가 편하기 때문이다. ‘35옹스트롬’이라고 쓰면 ‘3.5나노미터’처럼 소수점을 쓸 필요가 없다. 막을 한 층씩 천천히 키우는 원자층 증착(ALD)은 일반적인 방식에서 한 사이클에 약 1옹스트롬만 성장한다.
• 게이트 아래의 절연막: 트랜지스터에서 스위치를 켜고 끄는 전극을 게이트라고 하며, 그 아래에는 아주 얇은 절연막이 있다. 예전에는 이산화규소로 만들었다. 이 절연막은 초기의 수백 옹스트롬에서 세대를 거듭하며 십수 옹스트롬까지 얇아졌다. 이 정도로 얇아지면 전자가 그대로 뚫고 지나가 누설 전류가 커지기 때문에, 이후 재료가 바뀌었다.

뉴스는 왜 ‘옹스트롬 시대’라고 말하기 시작했을까?

뉴스에서 말하는 ‘2나노’는 무엇이 2나노일까?를 떠올려 보자. 각 세대의 이름은 대체로 ‘이전 세대 × 0.7’로 정해져 90, 65, 45에서 5, 3, 2나노까지 내려왔다.

이 관행대로 더 내려가면 1.x나노, 1나노, 0.x나노가 되어 부르기가 어색하다. 옹스트롬으로 바꾸면 1.x나노는 십수 옹스트롬, 0.x나노는 한 자릿수 옹스트롬이 되어 다시 정수로 부를 수 있다. 0.5미터를 흔히 50센티미터라고 말하는 것과 같다.

그래서 업계와 언론은 2나노 이후의 세대들을 옹스트롬으로 부르기 시작했고, ‘옹스트롬 시대’는 대체로 이 세대들을 가리킨다. 어느 세대부터 셀지는 의견이 완전히 일치하지 않는다. 이름이 2나노보다 작은 첫 세대부터 세기도 하고, 1나노 미만의 세대만 옹스트롬 세대로 부르는 연구 논문도 있다. 공개된 기술 로드맵에는 이미 앞으로 올 세대들의 이름이 1나노 안팎, 심지어 0.x나노까지 올라 있다.

‘옹스트롬 시대’의 트랜지스터는 정말 몇 옹스트롬밖에 안 될까?

그렇지 않다. 이것이 가장 중요한 점이다. ‘2나노’와 마찬가지로 세대의 이름은 ‘몇 번째 세대인가’를 뜻할 뿐, 칩에서 측정한 치수가 아니다.

업계가 함께 만든 공개 기술 로드맵이 ‘1나노’ 세대에 대해 내놓은 추정을 보면, 트랜지스터가 나란히 늘어선 간격은 여전히 수십 나노미터이고, 가장 촘촘한 금속 배선의 간격도 십수 나노미터다. 옹스트롬으로 바꾸면 수백 옹스트롬과 100여 옹스트롬으로, 이름에 붙은 숫자보다 훨씬 크다.

앞에서 쓴 ‘1옹스트롬을 1밀리미터로 확대한’ 자로 보면, 이 세대의 트랜지스터 간격은 수십 센티미터, 가장 촘촘한 배선 간격은 약 십수 센티미터다. 반면 이름에 붙은 ‘1나노’는 1센티미터에 불과하다.

칩 안에서 정말로 몇 옹스트롬, 몇십 옹스트롬에 불과한 것은 가장 얇은 막들이다. 게이트 아래의 절연막이나, 게이트가 네 면을 감싸고 있는 얇은 판 몇 장이 그 예다. 하지만 세대의 이름이 이것들을 측정한 값인 것도 아니다.

그렇다면 세대마다 실제로 바뀌는 것은 무엇일까?

이름의 숫자가 작아지는 뒤에는 세대마다 새로운 제조 방식이 있다. 각각은 다른 글에서 다루므로 여기서는 목록만 정리한다.

• 트랜지스터의 구조: 평평한 구조에서 세워진 핀(fin)으로, 다시 네 면을 감싸는 얇은 판으로 바뀌었다(‘FinFET과 GAA란?’).
• 전원 배선을 후면으로: 전력을 공급하는 배선을 웨이퍼 앞면에서 뒷면으로 옮기고, 앞면은 신호를 전달하는 배선에 내준다(‘후면 전력 공급이란?’).
• 더 미세한 빛: 가장 미세한 패턴은 파장이 더 짧은 극자외선으로 인쇄한다(‘극자외선(EUV)이란?’).

전체적으로는 여전히 ‘세대마다 더 많이 집적하고 전력은 덜 쓰는’ 방향이지만, 그 속도는 예전보다 느려졌고 비용은 점점 커지고 있다(‘무어의 법칙이란?’).

공정과 별개로 또 하나의 길이 함께 나아가고 있다. 나눠서 다시 합치는 것이다. 모든 것을 하나의 큰 칩에 만들지 않고 여러 조각으로 나눈 뒤, 나란히 놓거나 쌓아서 하나로 패키징한다(뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’이란?, 칩렛(chiplet)이란?). 이것은 패키징 방식이며, 어느 공정 세대에도 속하지 않는다.

다음에 뉴스를 볼 때는 이렇게 읽으면 된다

• ‘옹스트롬 시대 진입’: 세대의 이름이 옹스트롬으로 불러야 할 만큼 작아졌다는 뜻으로, 대체로 2나노 이후의 세대들을 가리킨다. 트랜지스터가 몇 옹스트롬밖에 남지 않았다는 뜻이 아니다.
• ‘1나노 이하’ ‘서브나노’: 이것 역시 세대의 이름이며, 칩 위의 어떤 구조가 1나노미터에 못 미친다는 뜻이 아니다.
• ‘옹스트롬 수준의 정밀도’: 측정이나 제어가 ‘옹스트롬 수준’에 이르렀다고 할 때는 실제 길이를 말한다. 원자 한두 개만큼도 어긋나지 않는다는 뜻으로, 세대의 이름과는 별개의 이야기다.

fab24hr에서는

게임에는 옹스트롬이라는 단위가 나오지 않고, 가상의 팹도 자신이 몇 나노 공정인지 밝히지 않는다. 가장 가까운 것은 아주 얇은 막이다.

‘직장인의 하루’에서 개발 라인의 퍼니스 개발 공정 엔지니어가 되면, 오전 근무에서 Glowmere(가상의 보청기 칩)의 게이트 아래 산화막을 얼마나 얇게 키울지 정해야 한다. 세 번의 런은 산화 시간만 다르고, 함께 넣어 키운 모니터 웨이퍼를 보고 어느 런이 목표에 들어왔는지 판단한다. 조금 얇으면 스위칭이 빨라지고, 너무 얇으면 누설 전류가 생긴다. 게임에서는 ‘목표가 아주 얇다’고만 할 뿐 몇 옹스트롬인지는 적지 않는다. ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘개발 라인’을 누르고 좌우로 넘겨 개발 공정 엔지니어를 찾은 다음 ‘퍼니스’를 누르면 된다.

메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 2 ‘한 공정씩’에서도 R&D 라인의 계측 장비 앞에서 어제 돌린 런을 측정한다. 막에 빛을 비추고 반사되어 돌아오는 빛을 보고 막의 두께를 계산한다.

게임 속 회사, 칩, 인물, 숫자는 모두 가상이다. 옹스트롬과 세대 이름에 관한 내용은 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 통일된 수치가 없는 부분은 규모만 적었다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.