[대한민국 희망 프로젝트]<580>극자외선(EUV) 노광 기술

EUV 장비는 10나노 미만의 회로 패턴을 한 번에 그릴 수 있다. 작업자가 장비 상태를 점검하고 있다.

최근 반도체 분야 뉴스를 읽다보면 '극자외선(EUV) 노광 기술'이라는 문구를 종종 볼 수 있습니다. 노광은 반도체 회로를 그리는 핵심 공정인데요. 삼성전자가 이 기술을 활용해 7나노 칩을 생산할 계획이라고 밝혔습니다. TSMC, 인텔 같은 글로벌 반도체 회사도 EUV 노광 기술을 도입할 예정입니다.

Q:노광 기술은 무엇인가요.

A:금속으로 설계 패턴이 새겨진 마스크(mask) 원판에 빛을 쪼이고, 마스크를 투과한 빛은 감광액(photoresist)이 도포된 웨이퍼로 전사, 회로 패턴이 형성되는 일련의 과정을 의미합니다. 필름 사진을 현상하는 과정과 흡사합니다. 반도체 생산 과정은 찍고(노광), 깎고(식각), 씻고(세정), 덮는(증착) 과정의 연속입니다. 이 가운데 노광 공정을 수행하는 시간이 가장 깁니다. 1기가비트(Gb) D램을 기준으로 칩이 완성될 때까지 걸리는 총 시간에서 노광 공정이 차지하는 비중은 약 60%에 이릅니다. 총 생산원가 비중도 30%가 넘어갑니다.

Q:노광 기술 핵심은 무엇인가요.

A:웨이퍼 위에 보다 미세한 회로 패턴을 형성하려면 노광 장비 해상력이 높아져야 합니다. 해상력이란 인접 두 물체를 별개 것으로 분별할 수 있는 능력을 말합니다. 한계를 넘어서는 미세 패턴을 그리려면 원래 패턴과는 다른 왜곡된 상이 웨이퍼에 맺힙니다. 이런 상이 맺히면 불량 제품을 찍어내게 되는 것이지요.

Q:노광 기술은 어떻게 진화했나요.

A:해상력을 높이는 방향으로 발전했습니다. 개구수(numerical aperture, NA)가 높은 큰 렌즈를 사용하거나 짧은 파장 광원을 쓰는 방식 두 가지가 있습니다. 130나노 반도체까진 파장 길이가 248나노미터(㎚)인 불화크립톤(KrF) 엑시머 레이저를 사용했고, 90나노대로 접어들면서부터 193㎚ 파장 불화아르곤(ArF) 엑시머 레이저를 활용했습니다. 현재 최신 반도체 양산 라인에 도입된 ArF 노광 장비는 공기보다 굴절률이 큰 액상 매체를 이용해 해상력을 높인 액침(液浸, immersion) 기술을 활용합니다. 다만 30나노대 이하로 회로 선폭이 줄어들면서 액침 ArF 노광 장비 물리 회로 패턴 구현 능력도 한계치에 이르게 됩니다. 이 한계를 해결하기 위해 반도체 회사는 한 번에 여러 번 노광 작업을 하는 더블, 쿼드러플 패터닝 기법을 도입했습니다.

Q:EUV는 무엇인가요.

A:Extreme Ultra Violet, 즉 극자외선을 의미합니다. 자외선(UV)과 X-선 중간 영역에 있는 전자기파입니다. 13.5㎚ 파장을 가지도록 고안됐는데, 파장이 짧은 이 전자기파를 활용하면 10나노 미만 반도체 회로도 여러 번이 아닌 한 번의 노광으로 만들 수 있습니다. 다만 이 기술을 구현하는 것은 매우 어렵습니다. EUV는 자연계 모든 물질에 흡수되는 성질을 가지고 있습니다. 심지어 공기에도 흡수됩니다. 이 때문에 대기 상태가 아닌 진공 상태로, 렌즈를 투과하는 방식이 아닌 다층 박막 특수거울에 여러 번 빛이 반사되도록 만들었지요. 현재 EUV 노광 장비를 만들 수 있는 곳은 네덜란드 ASML이 유일합니다. 일본 캐논은 개발 자체를 포기했고, 니콘도 손을 놓았죠. 장비 한 대 가격이 1000억원을 호가할 정도로 비싼 것으로 알려져 있습니다.

Q:EUV는 언제부터 활용되나요.

A:삼성전자가 가장 먼저 상용 EUV 장비를 양산라인에 도입할 것으로 관측됩니다. 현재 경기도 화성캠퍼스에 EUV 전용 공장을 짓는 중입니다. EUV 장비는 메모리보다 시스템반도체 파운드리 생산라인에 주로 깔릴 것으로 예상됩니다. 퀄컴 같은 세계적 반도체 기업이 삼성전자 7나노 공정으로 5G 모뎀칩 등을 생산할 것으로 보입니다. 삼성전자는 추후 D램에서도 EUV 공정을 적용할 것으로 알려졌습니다.

◇'반도체전쟁 4차 산업혁명 시대 중국의 역습' 남윤선, 이정, 허성무 공저 한경비피 펴냄

세계 최정상 위치에서 한국 경제 중추를 담당하고 있는 반도체 산업. 하지만 한국 반도체는 중국 추격으로 위태로운 상황에 놓였다. 정부 무관심 속에서 지원은 줄어들고 있다. 우리는 어떤 전략으로 어떻게 대응해야 하는가. 이 책이 그 해법 실마리를 제공한다.

◇'쇼클리가 들려주는 반도체 이야기' 류장렬 지음, 자음과모음 펴냄

반도체 원리 설명에 앞서 원자 개념부터 도체, 부도체에 대한 기본 이론을 삽화와 사진 자료 등으로 소개했다. 쉽고 재미있게 반도체 원리를 습득할 수 있다. 국가 기반 산업으로써 역할을 하고 있는 반도체 기술을 보유한 우리나라 청소년이 미래에 더 큰 힘을 실어주길 바라는 저자 바람이 담겼다.

주최:전자신문 후원:교육부·한국교육학술정보원

한주엽 반도체 전문기자 powerusr@etnews.com