EUV란 무엇일까?
세상에서 가장 정교한 빛으로 반도체를 만드는 방법
앞에서 우리는 반도체 회로를 만들 때 빛을 이용한다는 것을 배웠습니다.
웨이퍼 위에 빛에 반응하는 물질을 바르고,
회로 모양이 들어 있는 마스크를 이용해 빛을 비춘 뒤,
원하는 모양을 만들어내는 과정이 바로 노광입니다.
그런데 반도체 기술이 발전하면서 문제가 생겼습니다.
사람들은 반도체 안에 더 많은 트랜지스터를 넣고 싶어 했습니다.
그러려면 회로를 계속 더 작게 만들어야 합니다.
하지만 기존의 빛으로는 너무 작은 회로를 정확하게 만드는 것이 점점 어려워졌습니다.
그래서 등장한 새로운 기술이 바로 EUV입니다.
EUV를 한 문장으로 설명하면?
EUV는
아주 짧은 파장의 빛을 이용해 매우 작은 반도체 회로를 만드는 노광 기술
입니다.
EUV는 영어로
Extreme Ultraviolet
의 약자입니다.
우리말로는 극자외선이라고 합니다.
이름은 어려워 보이지만 핵심은 간단합니다.
기존보다 더 정밀하게 회로를 그리기 위해 특별한 빛을 사용하는 기술입니다.
왜 새로운 빛이 필요했을까?
그림을 그린다고 생각해보겠습니다.
운동장에 커다란 글씨를 쓴다면 굵은 붓으로도 충분합니다.
하지만 쌀알 위에 아주 작은 글씨를 써야 한다면 어떨까요?
굵은 붓으로는 불가능합니다.
훨씬 더 가는 펜이 필요합니다.
반도체도 비슷합니다.
회로가 클 때는 기존의 빛으로도 충분했습니다.
하지만 트랜지스터가 점점 작아지면서 더 정밀한 방법이 필요해졌습니다.
EUV는 쉽게 말하면 반도체 회로를 그리는 훨씬 더 가는 펜과 비슷합니다.
빛에도 ‘파장’이 있다
EUV를 이해하려면 파장(Wavelength)이라는 말을 알아야 합니다.
빛은 파도처럼 움직이는 성질을 가지고 있습니다.
파도의 한 물결과 다음 물결 사이의 거리를 파장이라고 생각하면 됩니다.
바닷가를 떠올려보겠습니다.
커다란 파도는 물결 사이의 간격이 큽니다.
작고 촘촘한 파도는 간격이 작습니다.
빛도 비슷하게 파장이 길거나 짧을 수 있습니다.
파장이 짧으면 왜 좋을까?
아주 작은 그림을 그린다고 생각해보겠습니다.
큰 도장으로는 작은 모양을 정교하게 표현하기 어렵습니다.
더 작은 도구가 필요합니다.
빛도 마찬가지입니다.
일반적으로 더 짧은 파장의 빛을 사용하면 더 작은 패턴을 만드는 데 유리합니다.
그래서 반도체 기술이 발전하면서 점점 더 짧은 파장의 빛을 사용하게 되었습니다.
기존에는 어떤 빛을 사용했을까?
EUV가 등장하기 전에는 DUV라는 기술이 널리 사용되었습니다.
DUV는
Deep Ultraviolet
의 약자입니다.
심자외선이라고 부릅니다.
대표적인 첨단 DUV 노광에서는 약 193나노미터 파장의 빛을 사용합니다.
이 기술만으로도 매우 작은 반도체 회로를 만들 수 있었습니다.
하지만 반도체가 계속 미세해지면서 한계가 생기기 시작했습니다.
EUV의 빛은 얼마나 짧을까?
EUV 노광에서는 약 13.5나노미터 파장의 빛을 사용합니다.
DUV의 대표적인 193나노미터와 비교하면 훨씬 짧습니다.
숫자를 외울 필요는 없습니다.
중요한 것은
EUV의 빛이 기존 DUV보다 훨씬 짧은 파장을 가지고 있다
는 점입니다.
그래서 더 작은 반도체 회로를 만드는 데 유리합니다.
그럼 EUV를 사용하면 모든 것이 쉬워질까?
그렇지 않습니다.
오히려 반대입니다.
EUV는 매우 짧은 파장의 빛이라서 만들기도 어렵고 다루기도 매우 어렵습니다.
그래서 EUV 노광장비는 현대 산업에서 가장 복잡한 기계 중 하나로 꼽힙니다.
도대체 무엇이 그렇게 어려운 것일까요?
첫 번째 문제: EUV 빛을 만드는 것부터 어렵다
일반적인 전등은 전기를 공급하면 빛이 나옵니다.
하지만 반도체 공정에 사용할 만큼 강력한 EUV 빛은 그렇게 간단하게 만들 수 없습니다.
EUV 장비에서는 아주 특별한 방법을 사용합니다.
대표적으로 주석(Tin)이라는 금속을 이용합니다.
아주 작은 주석 방울을 떨어뜨린다
장비 안에서 아주 작은 주석 방울을 빠른 속도로 떨어뜨립니다.
그리고 이 주석 방울에 강력한 레이저를 정확하게 쏩니다.
레이저를 맞은 주석은 매우 뜨거운 상태인 플라즈마로 변합니다.
그리고 이 과정에서 EUV 빛이 만들어집니다.
야구공을 레이저로 맞힌다고 생각해보자
아주 작은 야구공이 빠르게 떨어지고 있다고 생각해보겠습니다.
그 야구공에 레이저를 정확히 맞혀야 합니다.
그런데 한 번만 맞히는 것이 아닙니다.
계속해서 매우 빠르게 반복해야 합니다.
그리고 야구공보다 훨씬 작은 주석 방울을 대상으로 합니다.
얼마나 어려운 작업인지 상상할 수 있습니다.
두 번째 문제: EUV는 공기에서도 잘 이동하지 못한다
일반적인 빛은 공기 속을 비교적 잘 지나갑니다.
우리가 전등을 켜면 방 전체가 밝아지는 이유입니다.
하지만 EUV는 다릅니다.
공기 중의 분자들이 EUV 빛을 쉽게 흡수합니다.
즉 빛이 이동하다가 사라질 수 있습니다.
그래서 장비 안에서 공기를 빼낸다
EUV 빛이 제대로 이동하려면 특별한 환경이 필요합니다.
그래서 EUV 노광장비 내부의 중요한 부분은 진공에 가까운 상태로 만듭니다.
공기를 최대한 제거하는 것입니다.
우주 공간처럼 공기가 거의 없는 환경을 떠올리면 됩니다.
이것만 봐도 EUV 장비가 일반적인 기계보다 훨씬 복잡할 수밖에 없습니다.
세 번째 문제: 일반 렌즈를 사용할 수 없다
카메라에는 렌즈가 있습니다.
안경에도 렌즈가 있습니다.
일반적인 노광장비에서도 렌즈가 매우 중요합니다.
그런데 EUV에는 큰 문제가 있습니다.
EUV 빛은 일반적인 유리 렌즈를 통과하기 어렵습니다.
렌즈가 빛을 흡수해버리기 때문입니다.
그렇다면 빛의 방향을 어떻게 바꿀까요?
렌즈 대신 특별한 거울을 사용한다
EUV 장비에서는 일반 렌즈 대신 초정밀 거울을 사용합니다.
빛을 거울에 반사시키면서 원하는 방향으로 보냅니다.
빛이
첫 번째 거울,
두 번째 거울,
세 번째 거울
을 지나면서 점점 정확하게 조절됩니다.
마지막에는 웨이퍼 위에 아주 작은 회로 패턴을 만들어냅니다.
그냥 집에 있는 거울을 사용하면 안 될까?
당연히 안 됩니다.
일반 거울은 EUV 빛을 효율적으로 반사시키기 어렵습니다.
그래서 EUV용 거울은 여러 특별한 물질을 아주 얇게 반복해서 쌓아 만듭니다.
쉽게 말하면
빛을 최대한 잘 반사하도록 설계한 초정밀 다층 거울
입니다.
거울 표면은 얼마나 정확해야 할까?
반도체에서 만드는 회로는 매우 작습니다.
따라서 거울 표면이 조금만 잘못되어도 빛이 엉뚱한 방향으로 갈 수 있습니다.
일상적인 거울에 작은 흠집이 있다고 해보겠습니다.
우리가 얼굴을 보는 데는 거의 문제가 없습니다.
하지만 아주 작은 반도체 회로를 만들 때는 이런 작은 오차도 문제가 될 수 있습니다.
그래서 EUV 장비의 거울은 상상하기 어려울 만큼 정밀하게 만들어집니다.
네 번째 문제: 거울을 지날 때마다 빛이 약해진다
거울이 빛을 100% 완벽하게 반사하는 것은 아닙니다.
일부 빛은 사라집니다.
그런데 EUV 장비에서는 여러 개의 거울을 사용합니다.
빛이
거울 하나를 지나고,
또 하나를 지나고,
또 하나를 지날 때마다
조금씩 약해집니다.
그래서 처음부터 충분히 강한 EUV 빛을 만들어야 합니다.
이것도 매우 어려운 기술입니다.
다섯 번째 문제: 마스크도 특별해야 한다
앞에서 노광할 때 회로 모양이 들어 있는 마스크를 사용한다고 배웠습니다.
EUV에서는 마스크 역시 일반적인 방식으로 만들기 어렵습니다.
EUV 빛은 투명한 마스크를 그냥 통과시키는 방식보다 반사형 마스크를 사용합니다.
즉 마스크에서도 EUV 빛을 반사시켜 회로 모양을 만들어냅니다.
마스크에 작은 결함이 있으면 어떻게 될까?
마스크는 반도체 회로의 원본 그림과 비슷합니다.
만약 마스크에 작은 먼지나 결함이 있다면 그 모양이 웨이퍼에도 영향을 줄 수 있습니다.
도장에 작은 흠집이 있으면 찍을 때마다 같은 흠집이 반복되는 것과 비슷합니다.
그래서 마스크도 아주 정밀하게 만들어야 합니다.
여섯 번째 문제: 웨이퍼 위치도 정확해야 한다
회로를 웨이퍼 위에 한 번만 만드는 것이 아닙니다.
앞에서 배웠듯이 반도체는 여러 층으로 만들어집니다.
첫 번째 층을 만들고,
두 번째 층을 만들고,
세 번째 층을 만듭니다.
이때 각 층의 위치가 정확하게 겹쳐야 합니다.
종이를 겹쳐 그림을 그린다고 생각해보자
투명한 종이 20장을 겹쳐 하나의 복잡한 그림을 만든다고 생각해보겠습니다.
첫 번째 종이에는 집을 그리고,
두 번째 종이에는 창문을 그리고,
세 번째 종이에는 문을 그립니다.
종이 위치가 조금만 어긋나면 창문과 문이 엉뚱한 곳에 생깁니다.
반도체도 같습니다.
다만 오차를 허용할 수 있는 크기가 상상할 수 없을 정도로 작습니다.
웨이퍼는 움직이면서 노광한다
웨이퍼 전체에 한 번에 회로를 만드는 것은 아닙니다.
장비는 웨이퍼 위의 작은 영역을 차례대로 노광합니다.
한 영역에 회로를 만든 뒤
웨이퍼를 정확하게 이동시키고,
다음 영역에 다시 회로를 만듭니다.
이 작업을 매우 빠르고 정밀하게 반복합니다.
그래서 웨이퍼를 움직이는 장치 역시 극도로 정확해야 합니다.
책 한 페이지에 도장을 수백 번 찍는 것과 비슷하다
큰 종이에 작은 도장을 반복해서 찍는다고 생각해보겠습니다.
도장을 찍을 때마다 정확하게 같은 간격을 유지해야 합니다.
한 번이라도 위치가 어긋나면 전체 그림이 이상해집니다.
반도체 노광장비에서도 비슷한 일이 일어납니다.
다만 이동 거리가 매우 작고 속도도 빠르기 때문에 훨씬 어렵습니다.
EUV를 사용하면 무엇이 좋아질까?
가장 큰 장점은 더 작은 회로를 더 효율적으로 만들 수 있다는 것입니다.
기존 DUV 기술로 아주 작은 회로를 만들려면 한 층의 패턴을 여러 번 나누어 만들기도 합니다.
이를 멀티 패터닝이라고 합니다.
하지만 여러 번 만들면 공정이 복잡해집니다.
EUV를 이용하면 일부 첨단 공정에서는 같은 패턴을 더 단순한 방식으로 만들 수 있습니다.
색칠을 여러 번 하는 것과 한 번에 하는 것
아주 가는 줄무늬를 그린다고 해보겠습니다.
굵은 펜밖에 없다면
한 번 그리고,
조금 옆에 다시 그리고,
또 위치를 맞추는
복잡한 방법을 써야 할 수 있습니다.
하지만 훨씬 가는 펜이 있다면 더 간단하게 그릴 수 있습니다.
EUV의 장점도 이런 방식으로 이해하면 됩니다.
EUV를 사용하면 반도체가 무조건 좋아질까?
EUV가 매우 중요한 기술인 것은 맞지만 EUV 하나만으로 좋은 반도체가 만들어지는 것은 아닙니다.
좋은 반도체를 만들려면
트랜지스터 설계,
재료,
식각,
증착,
배선,
수율,
패키징
등 모든 기술이 함께 좋아야 합니다.
EUV는 이 거대한 제조 과정 가운데 아주 중요한 핵심 도구 하나라고 생각하면 됩니다.
모든 반도체에 EUV가 필요할까?
아닙니다.
이 부분도 중요합니다.
오래된 공정이나 비교적 큰 회로를 사용하는 반도체에는 굳이 값비싼 EUV를 사용할 필요가 없습니다.
자동차나 가전제품 등에 들어가는 일부 반도체는 첨단 미세공정보다
가격,
안정성,
오랜 기간 사용할 수 있는 신뢰성
이 더 중요할 수도 있습니다.
그래서 기존 DUV 장비도 여전히 매우 많이 사용됩니다.
EUV는 주로 어디에서 중요할까?
EUV는 특히 매우 작은 회로가 필요한 첨단 반도체 제조에서 중요합니다.
예를 들어
고성능 CPU,
고성능 GPU,
스마트폰용 첨단 프로세서,
일부 첨단 메모리
등을 제조할 때 활용됩니다.
이런 반도체는 같은 공간에 많은 트랜지스터를 넣어야 하기 때문에 미세한 공정 기술이 중요합니다.
EUV 장비는 왜 그렇게 비쌀까?
지금까지 배운 것을 생각해보면 이유를 알 수 있습니다.
EUV 빛을 만들어야 합니다.
↓
작은 주석 방울을 정확히 맞혀야 합니다.
↓
장비 내부를 진공에 가깝게 만들어야 합니다.
↓
초정밀 거울을 사용해야 합니다.
↓
마스크도 특별하게 만들어야 합니다.
↓
웨이퍼를 매우 빠르고 정확하게 움직여야 합니다.
↓
모든 과정에서 아주 작은 진동과 오차까지 관리해야 합니다.
이 모든 기술을 하나의 장비 안에 넣어야 합니다.
그래서 EUV 노광장비는 엄청나게 복잡하고 비싼 장비입니다.
자동차 한 대와 비교하기 어려운 기계
일반 자동차에도 수만 개의 부품이 들어갑니다.
EUV 장비는 그보다 훨씬 복잡한 수준의 정밀기술이 결합되어 있습니다.
레이저,
광학,
진공,
기계,
전자제어,
소프트웨어,
재료공학
등 여러 분야의 최고 수준 기술이 함께 필요합니다.
그래서 단순히
“기계를 보고 똑같이 만들면 되지 않을까?”
라고 하기 어려운 제품입니다.
누가 EUV 노광장비를 만들까?
이 분야에서 가장 중요한 회사가 바로 네덜란드의 ASML입니다.
ASML은 반도체 노광장비를 전문으로 만드는 기업입니다.
특히 최첨단 EUV 노광장비 분야에서 매우 독특하고 중요한 위치를 차지하고 있습니다.
그래서 반도체 산업을 공부하다 보면
NVIDIA,
삼성전자,
SK하이닉스,
TSMC
뿐 아니라 ASML이라는 이름도 계속 등장합니다.
ASML 혼자서 모든 부품을 만들까?
그렇지는 않습니다.
EUV 장비 자체도 세계 여러 기업의 기술이 모여 만들어집니다.
예를 들어
특수 광학 기술,
레이저 기술,
초정밀 기계,
전자부품
등을 여러 협력기업이 제공합니다.
즉 EUV 장비 하나 역시 거대한 세계 공급망의 결과입니다.
그래서 EUV는 국가 간 반도체 경쟁과도 연결된다
첨단 반도체를 만들기 위해 EUV 장비가 중요하다면,
누가 이 장비를 구할 수 있는지도 중요해집니다.
만약 어떤 나라가 최신 반도체를 만들고 싶어도 필요한 제조장비를 구하지 못한다면 기술 발전이 어려워질 수 있습니다.
그래서 EUV와 ASML은 단순한 공장 장비 문제가 아니라
미국과 중국의 반도체 경쟁
과도 연결됩니다.
나중에 미중 반도체 전쟁을 배울 때 EUV가 다시 등장하게 됩니다.
왜 중국은 EUV를 중요하게 생각할까?
중국도 첨단 반도체를 자체적으로 생산하고 싶어 합니다.
하지만 첨단 반도체 제조에는 설계 기술뿐 아니라 매우 높은 수준의 제조장비가 필요합니다.
EUV 장비가 대표적인 예입니다.
그래서 반도체 장비에 대한 수출 제한은 한 나라의 첨단 반도체 생산 능력에 영향을 줄 수 있습니다.
이 때문에 반도체 장비가 국가 전략 기술이 된 것입니다.
EUV보다 더 발전한 기술도 있을까?
있습니다.
반도체 회로가 계속 작아지면서 EUV 기술 역시 더 발전하고 있습니다.
대표적인 다음 단계가 High-NA EUV입니다.
NA는 Numerical Aperture의 약자입니다.
지금은 어려운 뜻을 모두 알 필요가 없습니다.
쉽게 말하면
EUV 빛을 더 정교하게 모아 더 작은 패턴을 만들기 위한 차세대 기술
이라고 생각하면 됩니다.
카메라 렌즈를 발전시키는 것과 비슷하다
같은 빛을 사용하더라도 렌즈와 광학장치의 성능이 좋아지면 더 정밀한 사진을 찍을 수 있습니다.
EUV에서도 비슷합니다.
High-NA EUV는 광학 시스템을 개선해 더욱 작은 회로를 만드는 것을 목표로 합니다.
앞으로 반도체가 2나노, 그 이후 세대로 발전하면서 이런 기술이 더욱 중요해질 가능성이 있습니다.
그런데 반도체 회사는 EUV 장비만 사면 될까?
그렇지 않습니다.
장비를 구매하는 것과 장비를 잘 사용하는 것은 다른 문제입니다.
아주 좋은 카메라를 산다고 누구나 최고의 사진작가가 되는 것은 아닙니다.
반도체 회사도 마찬가지입니다.
EUV 장비를 가지고 있더라도
공정 조건,
마스크,
포토레지스트,
식각,
수율 관리
등을 잘 맞춰야 좋은 반도체를 생산할 수 있습니다.
그래서 삼성전자, TSMC, Intel 같은 회사의 공정 기술력도 매우 중요합니다.
EUV와 수율은 어떤 관계가 있을까?
회로를 아주 작게 만들수록 작은 오차도 큰 문제가 될 수 있습니다.
빛의 세기가 조금 달라지거나,
마스크에 작은 문제가 있거나,
웨이퍼 위치가 미세하게 어긋나면
불량 칩이 생길 수 있습니다.
따라서 첨단 공정에서는 단순히
“작은 회로를 만들었다.”
가 끝이 아닙니다.
작은 회로를 많이, 안정적으로, 높은 수율로 만들 수 있어야 합니다.
이것이 실제 반도체 제조 경쟁력입니다.
EUV를 음식점으로 비유해보자
최고급 오븐을 샀다고 생각해보겠습니다.
오븐 성능은 세계 최고입니다.
하지만
재료가 좋지 않거나,
조리법이 잘못되거나,
온도를 제대로 조절하지 못하면
좋은 음식이 나오지 않습니다.
반도체도 똑같습니다.
EUV 장비는 매우 중요한 도구이지만
좋은 반도체를 만드는 전체 기술 가운데 하나입니다.
AI 시대에도 EUV가 중요할까?
매우 중요합니다.
AI 기술이 발전하면 더 강력한 GPU와 CPU가 필요합니다.
고성능 반도체를 만들기 위해서는
더 많은 트랜지스터,
더 높은 계산 성능,
더 낮은 전력 소비
가 중요해집니다.
그래서 첨단 미세공정 기술도 계속 필요합니다.
AI용 GPU가 발전하는 과정에서도 첨단 노광 기술은 중요한 역할을 합니다.
하지만 AI 반도체 성능은 미세공정만으로 결정되지 않는다
여기에서 꼭 기억해야 할 부분이 있습니다.
과거에는 반도체 성능을 높이는 가장 대표적인 방법이
트랜지스터를 더 작게 만드는 것
이었습니다.
하지만 이제는 점점 어려워지고 있습니다.
그래서 반도체 업계는
미세공정
HBM
Chiplet
첨단 패키징
새로운 트랜지스터 구조
같은 여러 기술을 함께 발전시키고 있습니다.
앞으로 이 모든 기술을 차례대로 배우게 됩니다.
EUV를 처음부터 끝까지 다시 정리해보자
반도체 회로가 점점 작아졌습니다.
↓
기존 DUV만으로 작은 패턴을 만들기가 점점 어려워졌습니다.
↓
더 짧은 파장의 빛이 필요해졌습니다.
↓
EUV가 등장했습니다.
↓
주석에 레이저를 쏴 EUV 빛을 만듭니다.
↓
진공에 가까운 공간에서 빛을 이동시킵니다.
↓
특수한 거울로 EUV 빛을 반사시킵니다.
↓
마스크의 회로 패턴을 이용합니다.
↓
웨이퍼 위에 매우 작은 회로 모양을 만듭니다.
이 모든 작업을 매우 빠르고 정확하게 반복해야 합니다.
그래서 EUV 장비는 만들기도 어렵고 사용하기도 어려운 것입니다.
오늘 내용 한눈에 정리하기
오늘은 일곱 가지만 기억하면 됩니다.
첫째, EUV는 매우 짧은 파장의 빛을 사용하는 첨단 노광 기술입니다.
둘째, EUV는 더 작은 반도체 회로를 만드는 데 유리합니다.
셋째, EUV 빛은 주석에 강력한 레이저를 쏘는 방식 등을 이용해 만들어냅니다.
넷째, EUV는 공기와 일반 렌즈를 사용하기 어렵기 때문에 진공과 특수 거울이 필요합니다.
다섯째, EUV 장비는 수많은 최고 수준의 기술이 결합된 매우 복잡한 기계입니다.
여섯째, ASML은 EUV 노광장비 분야에서 매우 중요한 기업입니다.
일곱째, EUV 장비가 있다고 좋은 반도체가 자동으로 만들어지는 것은 아니며 공정기술과 수율 관리도 함께 중요합니다.
그런데 ASML은 어떻게 이런 기계를 만들 수 있었을까?
이제 새로운 궁금증이 생깁니다.
삼성전자와 TSMC는 세계적인 반도체 제조기업입니다.
NVIDIA는 세계적인 반도체 설계기업입니다.
그런데 이 회사들도 첨단 반도체를 만들려면 ASML의 노광장비를 필요로 합니다.
그렇다면
ASML은 도대체 어떤 회사이기에 세계 반도체 산업에서 이렇게 중요한 위치를 차지하게 되었을까요?
그리고 왜 다른 회사들은 EUV 노광장비를 쉽게 만들지 못할까요?
ASML 한 회사의 장비 공급이 반도체 산업뿐 아니라 미국과 중국의 기술 경쟁에도 영향을 미치는 이유는 무엇일까요?
다음 글에서는
「ASML은 왜 세계에서 가장 중요한 반도체 장비회사가 되었을까?｜EUV 기술과 독점의 비밀」
을 통해 반도체를 직접 만들지 않는 장비회사가 어떻게 세계 반도체 산업의 핵심 기업이 되었는지 알아보겠습니다.
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