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지금이 바로 지속 가능한 반도체 제조의 적기

Computer chips

이 글을 쓰고 있는 지금, 전 세계의 과학자들과 정치 지도자들은 스코틀랜드 글래스고에서 열리는 제26차 유엔 기후변화협약 당사국 총회(UNFCCC)의 약칭인 COP 26(2022년 10월)을 준비하고 있습니다. COP26은 5년마다(코로나19로 인해 1년 연기) 열리는 당사국 총회로서, 인간이 초래한 지구 온난화를 제한하기 위한 계획을 업데이트하는 회의입니다.

대부분의 논의는 온실 가스(GHG)의 배출에 초점을 맞추고 있습니다. 반도체 제조업의 추세는 특히 일반 제조업에 비해 배출량이 증가하고 있음을 보여준다.

GHG 배출: 일반 산업 대 반도체 제조업

GHG 배출: 일반 산업 대 반도체 제조업

그림 1. 반도체 제조에서 발생하는 온실 가스 배출량은 증가하는 반면, 전통적인 제조업체에서 발생하는 온실 가스 배출량은 감소하고 있습니다.

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많은 반도체 회사에서 온실 가스 배출 문제를 해결하기 위한 움직임이 활발히 진행되고 있으며, 반도체 업계는 온실 가스 배출을 줄이기 위한 전 세계적인 노력에서 선도적인 역할을 계속하고 있습니다.

파리 협정

2015년에 파리에서 열린 마지막 주요 회의인 COP21에서는 온난화로 인한 온도 상승폭을 산업화 이전의 지구 평균 온도 대비 2°C 이하(가급적 1.5°C 이하)로 제한할 수 있도록 함께 노력하기로 합의한 파리 협정에 합의했습니다. 파리 협정에 서명한 196개 국가는 각각 전체 목표를 달성하기 위해 취하기로 약속한 조치를 정의하는 국가결정기여(NDC)를 제출했습니다. COP26에서는 이러한 NDC를 검토하고 업데이트할 예정입니다.

그 사이에 일어난 가장 중요한 변화 중 하나는 협약 체결 직후 미국이 협약에서 탈퇴했다가 최근 다시 복귀한 것입니다. IPCC 및 AR6 유엔 기후변화협약의 활동은 기후 과학자 및 기후 변화 전문가로 구성된 국제적 그룹인 기후 변화에 관한 정부 간 협의체의 분석과 지원을 기반으로 합니다. IPCC는 또한 정기적인 평가 보고서(AR)를 발행하며, 가장 최근 보고서인 AR6는 2021년 8월에 발표되었습니다.

이 보고서는 기후 변화가 실제적이고 측정 가능하며 인간이 야기한 것이라는 확고한 결론에 대해 거의 완전한 합의를 이루었다는 점에서 주목할 만합니다. 이 보고서는 상세한 예측을 포함하고 있으며 인간이 기후 변화 활동을 줄이지 않으면 거의 확실하게 발생할 변화에 대한 끔찍한 그림이 그려져 있습니다.

정책 입안자를 위한 보고서 요약에 열거된 주요 결론은 다음과 같습니다.

  • 인간의 영향으로 대기, 해양, 육지가 따뜻해졌다는 것은 분명한 사실입니다. 대기, 해양, 빙하권, 생물권에서 광범위하고 급격한 변화가 발생했습니다.
  • 기후 시스템 전반에 걸친 최근의 변화의 규모와 기후 시스템의 여러 측면의 현재 상태는 수세기에서 수천 년에 걸쳐 전례가 없는 수준입니다.
  • 인간이 유발한 기후 변화는 이미 전 세계 모든 지역에서 다양한 기상 이변과 기후 변화에 영향을 미치고 있습니다. 폭염, 폭우, 가뭄, 열대성 저기압 등 극한 현상의 관측된 변화에 대한 증거, 특히 인간의 영향에 기인한다는 증거는 AR5 이후 더욱 강화되고 있습니다.
  • 기후 과정, 고기후 증거, 복사 강제력 증가에 대한 기후 시스템의 반응에 대한 지식이 향상됨에 따라 2014년에 발표된 이전 보고서인 AR5에 비해 범위가 좁아진 3°C의 평형 기후 민감도를 가장 잘 추정할 수 있게 되었습니다. 이 보고서는 다양한 수준의 지구 온난화로 인해 발생할 수 있는 5가지 시나리오를 설명하며, 온난화 수준이 높아질수록 점점 더 심각한 영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다.

온실 가스 제한

지구 온난화를 제한하는 방법에 대한 대부분의 논의는 지구 온난화의 근본적인 원인인 온실 가스(GHG)의 배출을 줄이고 궁극적으로 제거하는 데 중점을 둡니다.

어떤 형태로든 탄소 가격 책정이 필요하다는 공감대가 형성되고 있으며, 이는 공통으로 공유되는 환경의 악화로 인해 모든 사람이 부담해야 하는 비용을 배출자가 지불하도록 강제함으로써 경제적 압력을 가할 수 있습니다. 현 시점에서 정책 입안자들은 이러한 프로그램을 실행하는 데 필요한 기본 개념과 정의를 정립하는 데 어려움을 겪고 있습니다.

GHG는 태양에 의해 지구 표면이 따뜻해질 때 방출되는 적외선(IR) 복사를 흡수하여 열을 가두고 대기 온도를 상승시키는 가스입니다. 이산화탄소는 주요 온실가스이지만 다른 온실가스도 많이 있습니다. 가스마다 적외선 복사를 흡수하는 효율이 다르고 대기 중에 머무는 시간도 다를 수 있습니다.

과학자들은 지구 온난화 잠재력(GWP)을 사용하여 특정 기간 동안 다양한 가스로 인한 온난화를 비교합니다. 정의에 따르면 CO2의 GWP는 1입니다. 반도체 산업에서 통용되는 다른 가스의 GWP는 CH4 - 28, N2O - 265, CF4 - 6,630, NF3 - 16,100, SF6 - 23,500으로 훨씬 더 높습니다. 이산화탄소 등가물(CO2 e)은 가스 비교에 사용되는 또 다른 측정법입니다. 일반적으로 무게로 지정되며, CO2 e는 문제의 가스와 동일한 양의 온난화를 유발하는 CO2의 양입니다. CO2 e를 계산하려면 해당 가스의 무게에 GWP를 곱합니다.

온실 가스 프로토콜(GHGP)은 GHG 배출량을 측정하고 관리하기 위한 표준화된 프레임워크를 설정하며, 이는 탄소 가격 책정 또는 기타 제어 메커니즘에 필요한 선행 요소입니다. GHGP는 배출물을 소유한 사람과 각 단계에서 보유한 제어 수준에 따라 세 가지 배출 범위를 정의합니다.

  • 범위 1 - 보고 회사가 소유 또는 관리하는 사업(보일러, 차량, 공정 가스)에서 발생하는 직접적인 GHG 배출량
  • 범위 2 - 보고 회사가 구매하거나 취득한 전기, 증기, 난방 또는 냉방을 생성하는 타인에 의한 간접 GHG 배출량
  • 범위 3 - 업스트림(공급업체로부터) 및 다운스트림 배출량(운송, 유통, 보관)을 포함하여 보고 회사의 가치 사슬에서 발생하는 모든 간접 배출량(범위 2에 포함되지 않음).

2018년에 발표된 IPCC 특별 보고서는 지구 온난화를 산업화 이전 대비 1.5°C 이내로 유지하기 위해 각국이 2050년까지 이산화탄소 배출량을 '순배출 제로'로 만들어야 한다고 결론내렸습니다. 어떤 가스를 순배출 제로 정의에 포함시켜야 하는지에 대한 합의는 불완전합니다. 이로 인해 모호성이 생겨 국가와 조직이 각자의 기준에 따라 순배출 제로를 정의할 수 있게 되었습니다. 2020년 9월에 탄소 정보 공개 프로젝트(CDP)는 과학 기반 목표 이니셔티브(SBTi)를 대신하여 강력한 기후 과학에 기반한 순배출 제로 목표를 설정하고 평가하는 방법을 개발했습니다.

"탄소 중립"과 같은 다른 용어도 GHG 배출을 설명하는 데 사용됩니다. 정의 간의 차이는 문제가 될 수 있습니다. 예를 들어, 중국의 "탄소 중립"에 대한 정의는 CO2 자체만을 포함하는 반면 EU는 모든 GHG를 포함하는 "기후 중립"을 채택했습니다. 제로 및 중립적 평가를 위한 다른 방법들이 존재하며, 모호성 문제는 아직 완전히 해결되지 않았습니다. CDP는 GHGP 범위 1, 2 및 3 배출량을 포함하는 순배출 제로 목표를 명확하게 정의하고 1.5°C 과학 기반 목표와 일치시킵니다.

반도체 제조

반도체 제조는 온실 가스 배출에 크게 영향을 미치지 않습니다. 예를 들어, 2015년 미국에서는 산업 부문에서 배출되는 온실 가스 총량의 0.18%를 차지했으며 전체 온실 가스 배출원의 0.063%에 불과했습니다[1]. 상대적으로 적은 영향에도 불구하고 반도체 산업은 온실 가스 배출을 줄이기 위한 전 세계적인 행동을 조율하는 데 주도적인 역할을 해왔습니다.

범위 1: 직접 방출 - PFC, 성공 사례

역사적으로 휘발성 과불화탄소(PFC) 화합물은 에칭 및 챔버 크리닝 공정에서 물질을 제거하는 데 사용되는 반응성 불소 원자의 공급원으로서 반도체 제조에 중요한 역할을 해 왔습니다. 이는 안정적이고 대기 중에 긴 수명을 갖는 경향이 있으며, 높은 온난화 잠재력을 가진 강력한 온실 가스를 만듭니다.

지구 온난화에 대한 인식이 확산되기 시작한 1999년에 반도체 제조업체들은 향후 10년간 각 지역의 기준치보다 PFC 배출량을 10% 이상 줄이기로 약속했습니다. 2010년에는 당초 목표를 훨씬 뛰어넘는 32%의 감축을 달성했습니다. 당시 그들은 2010년 기준치보다 30% 낮은 정규화된 배출율(NER - 실리콘 cm2당 CO2 e 킬로그램)을 목표로 추가 감축을 다시 약속했습니다.

더 많은 레이어를 가진 더 복잡한 제품과 새로운 가스를 사용하는 첨단 에칭 공정에도 불구하고 2020년까지 22.9%의 감소를 달성했습니다. 현재 WSC는 IPCC의 2019년 최신 방법론을 사용하여 배출량을 추정하는 새로운 PFC 감축 10년 목표를 수립하기 위해 노력하고 있습니다(그림 1). PFC 사례는 복잡한 환경 문제에 대한 해결책을 모색하는 과정에서 직면하는 어려움을 보여주는 훌륭한 예입니다.

PFC 배출량을 줄이는 데 성공한 두 가지 주요 요소는 여러 챔버 크리닝 응용 분야에서 비 PFC NF3로 전환하는 것과 공정 챔버에서 배출되는 소비되지 않은 PFC 가스를 파괴할 수 있는 저감 기술을 채택하는 것입니다. PFC는 플라즈마 또는 연료 기반 버너로 파괴될 수 있습니다. 플라즈마는 연소 연료에서 탄소 배출을 추가하지 않는다는 장점이 있습니다. 그러나 실제로 기술의 선택은 연료 가스와 비교하여 전력의 상대적 비용 및 가용성에 의해 좌우되는 경우가 많습니다.

전력을 사용할 수 있고 비용 효율적일지라도 석탄 또는 재생 가능 에너지와 같은 전력 공급원도 탄소 순배출량 범위 2 계산에서 고려해야 합니다. 버너의 설계로 인해 솔루션은 더욱 복잡해집니다. NF3 자체에는 탄소가 포함되어 있지 않지만, 탄화수소 연료의 화염 속에서 연소하면 PFC가 생성될 수 있습니다.

이 문제는 화염의 온도 변화가 심하기 때문에 발생하며, 해결책은 내연 연소기라고 하는 특수 설계된 버너를 사용하여 중요 영역의 온도를 보다 균일하게 유지하고 탄소 함유 연료를 공정 가스에서 대부분 분리하는 것입니다.

범위 2: 간접 방출 - 오프사이트 발전기에서 구입한 전력

전자 기술의 보편화와 지난 수십 년 동안의 기하급수적인 성장으로 인해 전자 제품이 곧 전 세계가 생산할 수 있는 전력보다 더 많은 전력을 소비하게 될 것이라는 결론을 쉽게 내릴 수 있습니다.

진실은 다소 덜 걱정스럽지만 여전히 무시해서는 안 될 만큼 중요합니다. 2015년 정보통신기술(ICT)은 전 세계 에너지 수요의 약 5%를 차지했습니다. 2030년에는 ICT가 전 세계 수요의 20%까지 차지할 수 있으며, 가장 낙관적인 예측에서도 7%까지 성장할 것으로 예상됩니다.

전자 기술에서 소비되는 에너지는 장치를 제조하는 데 사용되는 에너지와 현재 거의 모두를 타사 공급업체에서 구입하는 에너지의 두 가지로 나눌 수 있습니다. 이 중 첫 번째는 GHGP 범위 2에, 두 번째는 범위 3에 포함됩니다. 흥미롭게도, 컴퓨터가 곧 전 세계가 생산할 수 있는 모든 전력을 사용할 것이라는 종말론적 전망과는 다소 상반되게, 최근 분석에서 도출된 결론은 장치 제조에 사용되는 범위 2의 전력이 전 세계가 생산할 수 있는 전력을 훨씬 상회한다는 것을 보여줍니다.

범위 3: 운영에 사용되는 전력

반도체 제조업체들은 제조 공정의 큰 전력 수요를 환경적 관점은 아니더라도 비용적 관점에서 오랫동안 민감하게 받아들였습니다. 대부분의 추정치는 공정 장비가 사용하는 에너지의 비중을 팹이 사용하는 전체 에너지의 절반 이하로 추정합니다. 그 중 절반 정도는 많은 공정이 작동하는 데 필요한 진공 조건을 유지하는 데 사용되는 펌프가 사용합니다.

펌프 제조업체들은 산업 초기부터 제품의 에너지 효율을 지속적으로 개선해 왔습니다. 새로운 메커니즘, 더 높은 샤프트 속도, 파워 인버터 기술 및 새로운 물질이 모두 기여했습니다. 많은 부분이 이미 오래 전에 달성되었지만 일부 분야에는 여전히 개선의 여지가 남아 있습니다.

가장 유망한 기술 중 하나는 유휴 모드 작동(그린 모드라고도 함)을 구현하는 것으로, 펌프가 작동하는 공정이 유휴 상태일 때 펌프가 저전력 상태로 전환되는 것입니다. 가장 큰 과제는 팹의 공정 장비와 서브팹의 펌프 간에 긴밀한 조율이 필요하다는 점입니다.

이러한 조정을 지원하는 기술은 이미 존재하며, 그 구현에 대한 저항의 일부는 운영자가 고수익 대량 생산 운영의 어떤 측면을 변경하는 것을 꺼리기 때문일 것입니다. 친환경 모드 운영은 현재 진행 중인 생산에 근본적인 변화를 주지 않으면서도 단기적으로 온실 가스 배출량을 줄일 수 있습니다.

안타깝게도 현재 첨단 노드에서 가동 중인 다른 공정은 전력 소비를 크게 증가시킬 가능성이 있으며, 그중에는 기존 193nm 침지 리소그래피보다 약 10배 더 많은 전력을 사용하는 EUV 리소그래피가 있습니다. 처리 단계 수의 감소와 같은 상쇄 요인이 있습니다. 그럼에도 불구하고 IMEC의 분석[4]에 따르면 28nm 노드에서 2nm 노드로 전환할 경우 웨이퍼당 전력 소비는 3.46배, 온실 가스 배출량은 2.5배 증가할 것으로 추정됩니다.

대량 생산에 EUV 리소그래피를 최초로 도입한 제조업체인 주요 파운드리는 수년간 10KWH를 약간 밑돌던 정규화 에너지 소비량(8인치 등가 웨이퍼 마스크 레이어당 KWH)이 2019년에 12.5KWH로 25% 이상 증가했습니다.

반도체 제조의 추세는 분명히 전력 소비를 증가시키는 추세이지만(그림 3), 해결책도 분명합니다. 에너지 소비를 재생 에너지원으로 전환해야 합니다.

이는 주요 제조업체에서 놓치지 않는 솔루션입니다. 2020년에 이 파운드리는 인근에 건설 중인 920메가와트 해상 풍력 발전소의 모든 에너지를 20년간 구매하는 세계 최대 규모의 재생 에너지 구매 계약을 체결하고 2050년까지 100% 재생 에너지를 사용하기로 약속했습니다[6]. 미국 최대 규모의 IDM은 2030년까지 100% 재생 에너지를 사용하기로 약속했습니다. 다른 주요 기업들도 비슷한 약속을 했지만, 언제나 그렇듯 문제는 세부 사항에 있습니다.

범위 3: 업스트림/다운스트림

범위 3의 경우 계산 대상에 따라 범위 할당이 조금 더 까다로워집니다. 제조업체의 경우, 데이터 센터에서 사용자가 소비하는 전력을 생산하기 위해 배출되는 온실 가스는 다운스트림인 범위 3에 해당합니다. 데이터 센터의 경우, 해당 온실 가스는 구매 전력으로 인한 간접 배출인 범위 2에 해당하며, 제조 과정에서 배출되는 온실 가스는 업스트림인 범위 3에 해당합니다.

범위에 관계없이 사용량 배출에 대한 궁극적인 해결책은 재생 가능한 에너지원으로 전환하는 것입니다. 컴퓨팅 기술의 최대 사용자 중 일부는 이러한 전환에 있어 제조업보다 훨씬 앞서 있습니다. Google과 Facebook은 2013년부터 재생에너지 전력을 구매하기 시작했습니다.

그 이후로 전반적인 데이터 센터 에너지 소비량은 증가했지만, 운영 에너지 소비로 인한 탄소 배출량은 감소했습니다. 배출량 감소의 또 다른 요인은 업계 역사상 컴퓨팅 에너지 효율이 급격히 증가한 것입니다. 트랜지스터가 더 작고, 더 빠르고, 더 에너지 효율적이 되면서 와트당 실행되는 명령어 수가 증가했습니다. 이러한 추세는 최근 몇 년 동안 모바일 장치의 성능 향상과 배터리 수명 연장에 대한 요구로 인해 성능과 에너지 효율을 모두 개선해야 한다는 압박이 가중되면서 더욱 가속화되었습니다.

지속 가능성을 이끄는 데 있어 반도체 장치의 가장 큰 영향은 경제 전반의 에너지 효율에 기여하는 것입니다.

현대 전자 제품의 근본적인 지원 기술인 반도체는 거의 모든 경제 부문에서 지속 가능성과 에너지 효율 향상을 촉진하는 솔루션을 위한 기술적 기초를 제공합니다. 반도체는 운송, 제조, 의료, 난방 및 냉방 및 기타 주요 경제 분야에서 에너지 효율을 높이고 온실 가스 배출을 줄입니다.

환경, 경제 또는 사회적 측면에서 볼 때 첨단 전자 기술의 다운스트림 이점은 비용을 훨씬 능가합니다.

COP26

IPCC의 증거에 기반한 결론은 분명합니다. 인간이 지구 온난화를 초래하고 있다는 것입니다. 그 예측은 끔찍하며, 무대책으로 인한 인적, 경제적 비용이 완화 비용을 훨씬 초과합니다. 오늘날 반도체 산업이 온실 가스를 가장 많이 배출하는 산업은 아니지만, 그 배출량은 상당하며 빠르게 증가하고 있습니다.

반도체 제조 공정에서 단기적으로 온실 가스 배출을 줄일 수 있는 조치에는 잘 설계된 PFC 저감 및 친환경 모드 진공 펌프 작동 등이 있습니다. 지금까지 가장 중요한 변화는 업계와 공급망 전반에 걸쳐 재생 에너지원으로 전환하는 것입니다. 미국이 파리 협정에 복귀함에 따라 당사국 회의에는 다시 한 번 모든 주요 경제 강대국이 포함됩니다. 우리는 국가 지도자들에게 조율된 리더십과 재정적 약속을 요구해야 하며, 온실 가스 배출을 줄이기 위해 지역부터 전 세계에 이르기까지 모든 수준에서 지속적으로 노력해야 합니다.

DR. CZERNIAK은 Edwards Vacuum의 환경 솔루션 사업 개발 관리자로, 오랜 경력을 쌓으며 다양한 리더십 직책을 역임했습니다. 또한 브리스톨 대학의 화학과 초빙 산업 교수이자 IPCC의 반도체 산업 대표로서 최근 평가 보고서(AR6)의 검토자로 참여했습니다.

참고 자료
  1. 반도체 업계, 기후 변화에 대한 행동 지속, David Isaacs, 정부 업무 담당 부사장, SIA 블로그, 2017년 6월 7일 수요일 오후 3시 17분 https:// www.semiconductors.org/semiconductorindustry-to-continue-action-on-climatechange/
  2. 제25차 세계반도체협의회 회의 공동 성명서 http://www. semiconductorcouncil.org/wp-content/ uploads/2021/08/FINAL-25th-WSC-JointStatement_0602.pdf
  3. 탄소 추적: 컴퓨팅의 파악하기 어려운 환경 발자국, Udit Gupta 외, IEEE 고성능 컴퓨터 아키텍처 국제 심포지엄(HPCA 2021) https://ugupta.com/files/ ChasingCarbon_HPCA2021.pdf
  4. 논리 CMOS 기술의 환경 발자국 - DTCO 기반 분석, IMEC https://www.imec-int.com/ ko/articles/environmental-footprint-logiccmos-technologies
  5. 칩 산업의 거대한 탄소 발자국, Bloomberg Green, Alan Crawford, Ian King, Debby Wu, 2021년 4월 8일 오후 5시 1분(EDT) https://www. bloomberg.com/news/articles/2021-04-08/ the-chip-industry-has-a-problem-withits-giant-carbon-footprint
  6. 컴퓨터 칩 산업의 추악한 기후 비밀. The Gaurdian, Pádraig Belton, 2021년 9월 18일 토요일 오전 8시(EDT) https:// www.theguardian.com/environment/2021/ sep/18/semiconductor-silicon-chipscarbon-footprint-climate
Computer chips

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