삼성전자, 테슬라 AI6 수주 넘어 하이브리드 본딩까지...“CMP 핵심 요소 부상”

2나노 GAA 공정에 이어 패키징 기술 진화, CMP ‘반도체 성능’ 핵심 공정
삼성, CMP 기술발전 박차…미래 패키징 기술 선점 노려
전문가들 “CMP 기술이 패키징 경쟁력의 분수령 될 것”

삼성전자 서초사옥. 뉴스1 제공.

[파이낸셜뉴스] 삼성전자가 테슬라의 차세대 자율주행 AI 칩 ‘AI6’을 2나노 공정으로 수주한 가운데, 이번 수주가 단순히 첨단 공정 경쟁력 과시를 넘어, 향후 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding) 시대에서의 CMP(Chemical Mechanical Polishing, 화학기계적 평탄화) 기술의 중요성을 선제적으로 부각하는 전환점이 될 것이라는 분석이 나온다.

30일 관련 업계 전문가들은 “2나노 공정과 같은 초미세 공정에서 이미 CMP가 수율의 핵심 변수로 부상했다”라며 “하이브리드 본딩과 같이 3D 패키징 기술로 진화할수록 CMP 공정의 평탄도·균일성·결함 제어 기술이 더욱 절대적으로 중요해질 것”이라고 입을 모았다.

최근 삼성전자는 2025년 8월부터 2033년 말까지 약 22조 원 규모로 테슬라의 6세대 AI 칩 AI6을 수탁 생산하는 대규모 계약을 체결했다. 해당 칩은 삼성의 2나노 GAA(Gate-All-Around) 공정을 적용한 첫 대형 상용 칩이 될 전망이며, 미국 테일러 파운드리에서 생산된다.

GAA 공정은 트랜지스터 게이트가 채널을 전방위로 감싸는 구조로, 고집적 설계와 고전류 구동이 가능하지만, 공정 난이도가 매우 높고 층간 불균형이 쉽게 발생한다.

이에 따라, 각 배선층의 평탄도를 확보하는 CMP 공정이 수율과 직결되는 핵심 공정으로 꼽힌다.

CMP는 회로 형성 후 발생하는 단차를 제거하고 각 층을 ‘완전히 평평하게’ 만들어 다음 노광 및 증착 공정의 정확도를 높인다. 삼성의 GAA 기반 2나노 공정에서는 특히 후면 전력 공급망(BSPDN) 기술까지 적용돼 CMP가 처리해야 할 층수와 정밀도가 훨씬 높아졌다.

CMP의 중요성은 하이브리드 본딩 기반 3D 패키징 기술이 본격화되는 시점에 더욱 확대될 것으로 예상된다. 하지만 이 기술의 전제 조건은 양쪽 웨이퍼 표면이 완벽에 가까운 평탄도와 청정도를 갖춰야 한다는 점이다. 한쪽 면이라도 오염이나 비평탄 상태가 존재하면 물리적 결합이 제대로 이뤄지지 않으면 결함률이 급증하게 된다.

CMP는 바로 이 ‘접합면 준비(wafer-to-wafer pre-bonding)’ 단계에서 핵심 역할을 수행한다.

업계 관계자는 “하이브리드 본딩이 상용화되려면 CMP 공정이 1nm 이하 수준의 표면 오차를 반복적으로 재현 가능해야 한다”며 “단순 연마가 아니라 원자 단위 수준의 공정 제어 능력이 요구된다”고 설명했다.

삼성전자는 CMP 기술의 중요성을 인식하고 이미 수년 전부터 관련 장비 및 소재의 내재화 및 국산화 전략을 추진하고 있다.

특히 삼성은 차세대 HBM에 하이브리드 본딩을 도입하는 것을 공식화한 바 있으며, 이를 위해 16단 이상 HBM 적층 구조의 수율과 접합 신뢰성 확보에 CMP 공정이 결정적인 역할을 할 것으로 보고 있다.

전통적으로 반도체 공정에서 CMP의 중요도가 커서 CMP슬러리 국산화는 국내 소부장 업체의 숙제였기도 하다. 이전엔 CMP 슬러리를 일본 반도체 소재 기업이 주로 공급했지만 최근 국내의 기술 개발 성과가 속속 나오면서 완전 국산화가 점점 가까워지고 있다.

지난 2월 삼성전자는 실제로 "대표적으로 본딩에선 칩 표면을 깨끗하게 하는 화학적 기계 연마(CMP) 공정이 굉장히 중요한데, 기존의 블레이드 다이싱 방식보다 더욱 개선된 기술로 레이저 그루빙, 플라즈마 다이싱 등을 개발해서 활용할 수 있다”며, “이를 통해 더욱 정밀하고 신뢰성이 높은 패키징이 가능하다”며 반도체 패키징 혁신 계획을 발표한 바 있다.

한편 반도체 업계에서는 이번 삼성의 테슬라 AI6 수주가 CMP 기술력 확보의 ‘선제 실전 테스트’가 될 것이라는 시각이 많다.

CMP가 2나노 공정의 수율을 끌어올리는데 결정적 역할을 하면서, 이어지는 하이브리드 본딩 기반 3D 패키징 전환에서도 이 경험이 기술 내재화로 이어질 수 있기 때문이다.

[e-mail] 김경아 기자