자외선 혁명: 마이크로칩의 미래를 바꾸는 보이지 않는 1억 5천만 달러 기계의 세계

자외선 리소그래피 장비는 대당 1억 5천만 달러 이상이며, 버스 크기만 하다.
업계 관측자들은 이 최신 세대 장비를 “무어의 법칙을 구한 기계”라고 별명 붙였는데, 이는 이 장비들이 현대 첨단 프로세서를 가능하게 해주기 때문이다.
ASML은 EUV 리소그래피 시스템의 유일한 공급업체이며, EUV 장비는 대당 약 1억 5천만~1억 8천만 달러에 달한다.
TSMC(대만 반도체 제조)는 2019년 7nm+ (N7+) 공정에서 처음으로 EUV를 대량 도입했다.
극자외선(EUV) 리소그래피는 고출력 레이저를 주석 방울에 쏘아 플라즈마를 만들어 13.5nm 파장의 빛을 발생시키며, 장비의 전력 소모는 1메가와트를 넘는다.
ASML은 2025년에 첫 High-NA EUV 장비인 EXE:5200을 출하했으며, 이는 수치 개구를 0.55로 높이고 시간당 약 175장의 웨이퍼를 목표로 한다.
최초의 상업용 EUV 칩은 2019년에 출시되었으며, TSMC의 7nm+ (N7+) 공정과 삼성의 7LPP가 EUV를 사용했다.
수출 통제로 인해 ASML은 중국에 EUV를 판매할 수 없으며, 2024년 ASML의 중국 매출은 약 70억 달러로 대부분 DUV 장비에서 발생했다.
니콘과 캐논은 EUV 개발에서 철수했으며, 니콘은 193nm 이머전 스캐너를 계속 공급하고, 캐논은 2024년 시험 출하를 목표로 나노임프린트 리소그래피(NIL)에 집중하고 있다.
삼성의 14nm급 DRAM은 여러 층에 EUV를 사용하며, 마이크론도 차세대 DRAM 노드에 EUV 도입을 계획하고 있다.

모든 현대 마이크로프로세서는 – 스마트폰의 칩부터 클라우드 AI를 구동하는 CPU까지 – 자외선 빛 아래에서 탄생한다. 사실, 지구상에서 가장 첨단의 제조 장비 중 일부는 보이지 않는 자외선 레이저를 실리콘 웨이퍼에 쏘아 마이크로칩이 작동하는 나노미터급 회로를 새긴다. 이 장비들은 대당 1억 5천만 달러 이상에 달하고, 버스 크기이며, 거의 공상과학 수준의 복잡성으로 작동한다. 하지만 이들은 무어의 법칙과 더 빠르고, 더 작고, 더 효율적인 프로세서의 지속적인 발전 ^[1], ^[2]의 숨은 일꾼이다. 업계 관측자들은 이 최신 세대 장비를 “무어의 법칙을 구한 기계”라고 부르기도 하는데, 이 장비 없이는 첨단 칩 제조가 사실상 불가능하기 때문이다 ^[3]. 이 보고서는 자외선 리소그래피의 세계, 즉 전통적인 심자외선(DUV)과 최첨단 극자외선(EUV) 기술을 다루며, 그 원리와 마이크로프로세서 개발에서의 중요성, 그리고 앞으로의 발전 방향을 설명한다.

자외선 리소그래피는 난해한 공학처럼 들릴 수 있지만, 그 영향은 우리의 일상에서 매우 현실적이고 눈에 띄게 나타납니다. 실리콘 위에 점점 더 미세한 트랜지스터 패턴을 인쇄함으로써, 자외선 리소그래피는 기술 산업의 놀라운 발전 속도를 직접적으로 가능하게 합니다. 한 기술 분석가가 직설적으로 말했듯이, “무어의 법칙은 사실상 무너지고 있고, 이 기계 없이는 끝입니다. EUV 없이는 최첨단 프로세서를 만들 수 없습니다.”^[4] 다시 말해, 마이크로칩의 미래—그리고 그것들이 이끄는 모든 기기와 혁신—는 이제 아주 짧은 파장의 빛을 다루는 데 달려 있습니다. 아래에서는 이 빛 기반 인쇄가 어떻게 작동하는지, 어떻게 최신 EUV 기술로 진화했는지, 주요 업체(네덜란드 장비업체 ASML부터 TSMC, 삼성, 인텔 같은 반도체 대기업까지), 최근의 돌파구(차세대 EUV 장비와 대체 기술 등), 그리고 업계 전문가들이 앞으로의 전망에 대해 어떻게 말하고 있는지 살펴보겠습니다.

자외선 리소그래피란 무엇인가?

본질적으로, 반도체 제조에서의 리소그래피는 실리콘 위의 사진 촬영과 비슷합니다. 실리콘 웨이퍼에 감광성 물질(포토레지스트)을 코팅하고, 기계가 집광된 빛을 사용해 스텐실 같은 마스크를 통해 그 웨이퍼에 정교한 회로 패턴을 투사합니다. 이 패턴은 마이크로프로세서를 구성하는 미세한 트랜지스터와 배선에 해당합니다. 빛이 닿는 부분은 화학적으로 레지스트가 변해 그 영역이 식각 또는 가공될 수 있게 되고, 가려진 부분은 보호됩니다. 이 과정을 극도의 정밀도로 층층이 반복함으로써, 칩 제조업체들은 현대 집적회로의 복잡한 구조를 쌓아 올립니다.

이 “프린팅” 과정에서 해상도의 핵심은 빛의 파장입니다. 더 가는 붓이 화가가 더 작은 디테일을 그릴 수 있게 해주듯, 더 짧은 빛의 파장은 칩 제조업체가 더 미세한 구조를 에칭할 수 있게 해줍니다. 수십 년 동안 반도체 산업은 점점 더 작은 트랜지스터를 인쇄하기 위해 전자기 스펙트럼에서 더 짧은 파장을 향해 꾸준히 나아갔습니다 ^[5]. 1960년대의 초기 칩들은 가시광선과 장파장 자외선(436nm의 g-라인, 365nm의 i-라인)을 사용했지만, 1990년대에는 최첨단 기술이 강력한 심자외선 영역으로 이동하여 익시머 레이저(248nm의 KrF, 이후 193nm의 ArF)를 사용하게 되었습니다^[6]. 193nm의 빛은 가시광선 파장의 약 1/5에 해당하며, 2000년대와 2010년대 내내 칩 제조의 주력으로 자리 잡았습니다. 이 심자외선(DUV) 리소그래피는 특히 이머전 렌즈와 다중 노광과 같은 기법이 도입된 이후 최소 ~50nm 이하의 구조를 구현할 수 있게 했습니다 ^[7]. 실제로, “익시머 레이저 리소그래피”(248nm 및 193nm)는 약 20년 동안 무어의 법칙을 견인하여 트랜지스터 크기가 계속 줄고 칩 집적도가 일정하게 두 배로 증가할 수 있게 했습니다 ^[8].

그러나 1990년대 후반과 2000년대 초, 엔지니어들은 193nm 광원을 사용하는 파장 장벽에 다가서고 있음을 알고 있었다 ^[9]. 약 40~50nm보다 훨씬 작은 피처를 패터닝하기 위해 193nm 리소그래피는 점점 더 복잡한 방법에 의존해야 했다: 특이한 광학적 기법, 다중 패터닝 단계(더 미세한 유효 피치를 얻기 위해 동일한 레이어를 여러 번 마스크를 이동시켜 노광하는 방식), 그리고 기타 영리한 우회 방법들 ^[10], ^[11]. 이러한 기술들은 DUV 장비의 수명을 연장시켰다(실제로 칩 제조업체들은 193nm를 이중, 삼중, 사중 패터닝을 사용해 10nm 또는 7nm로 마케팅된 노드까지 끌고 갔다). 하지만 그 대가로 엄청난 복잡성, 낮은 수율, 그리고 치솟는 생산 비용이 뒤따랐다. 2010년대 중반이 되자, 기존 DUV는 더 이상 나아가기 힘들다는 것이 명확해졌다 – 업계는 무어의 법칙을 유지하기 위해 더 짧은 파장의 광원으로 도약이 필요했다 ^[12].

딥 자외선(DUV) 리소그래피: 주력 기술

딥 UV 리소그래피(~248nm 및 193nm 레이저 사용)은 여러 세대에 걸쳐 칩 제조의 주력 기술이었다. DUV 장비는 본질적으로 매우 정밀한 투영 이미징 시스템이다: 자외선 레이저를 패턴이 새겨진 포토마스크와 일련의 축소 렌즈를 통과시켜 실리콘 웨이퍼 위에 축소된 이미지를 투사한다. 최신 193nm 시스템은 렌즈와 웨이퍼 사이의 틈을 초순수 물로 채우기도 한다(이머전 리소그래피) – 이를 통해 렌즈의 수치 개구수를 효과적으로 높여 더 작은 피처를 구현한다 ^[13]. 이러한 방법을 통해, 193nm 이머전 리소그래피는 명목상 파장보다 훨씬 작은 피처도 인쇄할 수 있게 되었으나, 해상도 향상 기술과 반복 노광을 반드시 병행해야 했다. 예를 들어, EUV가 등장하기 전, 최첨단 7nm 노드 칩은 DUV로 네 번의 별도 마스킹 단계(사중 패터닝)를 거쳐 단일 레이어를 구현했다 – 이는 정밀 정렬의 경이적으로 복잡한 작업이었다.

DUV 리소그래피는 매우 성숙하고 신뢰할 수 있습니다. ASML, Nikon, Canon과 같은 회사의 DUV 장비는 오늘날에도 칩 제조의 대부분 레이어를 처리하고 있습니다(최첨단 팹에서도 가장 중요한 레이어만 EUV를 사용하고, 덜 중요한 레이어는 여전히 여러 번의 DUV 노광을 사용합니다). 이 장비들은 최신 EUV 장비보다도 훨씬 저렴합니다. 최고급 이머전 DUV 스캐너는 약 5천만~1억 달러 수준인 반면, EUV 장비는 1억 5천만 달러 이상이 듭니다 ^[14]. 그 결과, DUV 장비는 필수불가결한 존재로 남아 있습니다. 이는 구세대 칩(특징 크기가 더 크고 인쇄가 쉬운 경우)뿐만 아니라 첨단 공정에서 EUV를 보완하는 역할도 합니다. 실제로 DUV 판매는 매년 출하되는 리소그래피 장비의 대부분을 차지합니다 ^[15]. 칩 제조업체들은 방대한 DUV 스캐너 설치 기반과 이를 사용하는 풍부한 노하우를 보유하고 있습니다.

하지만 지속적인 개선에도 불구하고, 193nm DUV는 근본적인 한계에 부딪혔습니다. 더 작게 만드는 데 과도한 노력이 필요해졌기 때문입니다. 광학 리소그래피의 실제 해상도는 대략 레일리 기준을 따릅니다: 최소 특징 크기 ≈ k₁ · (λ/NA), 여기서 λ는 파장, NA는 렌즈 개구수입니다. λ가 193nm로 고정되고 NA가 약 1.35(이머전)로 최대화된 상태에서, 칩 제조업체들은 계산적 기법으로 k₁을 이론적 한계까지 줄였습니다. 하지만 특징 크기를 더 줄이려면 λ 자체를 줄여야 했습니다. 2019년경, TSMC와 삼성과 같은 선도 파운드리는 13.5nm 파장의 새로운 리소그래피 광원을 상용화했습니다. 이는 DUV의 193nm보다 거의 15배 짧은 파장입니다 ^[16]. 이로써 극자외선 리소그래피 시대가 열렸습니다.

극자외선(EUV) 리소그래피로의 전환

극자외선 리소그래피(EUV)는 자외선과 X선의 경계에 있는 13.5nm의 훨씬 짧은 파장의 빛을 사용하여 칩을 노광합니다. 이렇게 훨씬 더 미세한 “붓”으로 전환함으로써, EUV는 훨씬 더 작은 트랜지스터와 피처를 단일 노광으로 인쇄할 수 있어, 첨단 공정에서 DUV가 필요로 하는 복잡한 멀티 패터닝 단계를 많이 피할 수 있습니다 ^[17]. 실질적으로, EUV 리소그래피는 7nm, 5nm, 3nm 기술 세대의 칩을 훨씬 적은 공정 단계와 더 나은 수율로 대량 생산할 수 있게 했습니다. 예를 들어, 대만의 TSMC는 2019년 7nm+ (N7+) 공정부터 일부 핵심 레이어에 EUV를 사용했는데, EUV를 사용한 최초의 상업용 공정 ^[18]이었으며, 이후 애플의 A15, A16 바이오닉 스마트폰 칩과 같은 프로세서를 구동하는 5nm 노드에 EUV를 광범위하게 적용했습니다 ^[19]. 삼성 역시 2019년 초 7LPP 공정에서 EUV로 양산을 시작했으며, 이후 5nm 및 메모리 칩 제조에도 EUV를 도입했습니다^[20], ^[21]. 이러한 변화는 게임 체인저였습니다. 13.5nm 빛을 사용함으로써, 칩 제조업체들은 이전에는 여러 번의 DUV 공정이 필요했던 피처를 단일 패턴 노광으로 인쇄할 수 있게 되어, 제조가 단순해지고 역대 가장 촘촘한 트랜지스터 집적^[22]이 가능해졌습니다.

하지만, EUV 리소그래피는 쉬운 혁명이 아니었다. EUV를 대량 생산에 적합하게 만들기 위해 20년이 넘는 연구와 약 90~100억 달러의 연구개발비가 소요되었다 ^[23]^[24]. 그 도전은 엄청났는데, 13.5nm 파장의 빛은 193nm 빛과 매우 다르게 동작하기 때문이었다. 우선, 13.5nm에서는 투명한 물질이 없다 – 굴절 렌즈나 기존의 유리 마스크를 사용할 수 없다. 대신, EUV 시스템은 전부 거울로 이루어진 광학 시스템을 사용한다: 특수 코팅이 된 다층 거울 여러 개를 정밀하게 배열하여 13.5nm 빛을 반사시키는 방식이다(각 거울은 빛의 일부만 반사하므로, 여러 개의 거울을 거치면 강도가 급격히 감소한다) ^[25]. 포토마스크 역시 투명 유리판이 아니라 반사형 거울 기판이다. 이 모든 과정은 진공 상태에서 이루어져야 한다(EUV는 공기에서 흡수됨). 요약하면, EUV 스캐너는 DUV 장비와 비교해 광학 시스템이 완전히 재설계된 것으로, 특이한 광학 부품과 극도의 정밀성이 요구된다.

그 다음은 광원입니다. 어떻게 고강도의 13.5nm 자외선을 생성할 수 있을까요? 그 답은 마치 공상과학 소설 같습니다: EUV 장비는 고출력 펄스 레이저를 작은 액체 주석 방울에 쏘아, 초당 50,000번 ^[26], ^[27]. 각 레이저 펄스는 주석 방울을 매우 뜨거운 플라즈마로 기화시키고, 이 플라즈마가 EUV 복사를 방출합니다. 본질적으로 기계 내부에서 별과 같은 미니 폭발이 일어나는 셈입니다. 이러한 플라즈마 플래시는 원하는 13.5nm 빛과 함께 많은 불필요한 복사선과 잔해도 생성하므로, 시스템은 올바른 파장만 필터링하고 수집하며 나머지는 모두 차단해야 합니다. EUV 빛은 이후 미러 광학계에 의해 초점이 맞춰져 웨이퍼에 패턴으로 조사됩니다. 빛 생성 측면에서 매우 비효율적인 과정(에너지의 대부분이 열로 손실됨)이기 때문에, 광원을 구동하는 레이저는 엄청나게 강력해야 합니다. EUV 스캐너의 광원은 1메가와트 이상의 전력을 소비하여 대량 생산에 충분한 EUV 광자 플럭스를 제공합니다^[28]. 반면, 193nm 엑시머 레이저는 그 전력의 극히 일부만 사용합니다. 이것이 EUV 장비가 막대한 전력 및 냉각 요구사항을 가지는 이유이며, 나노임프린트 리소그래피(레이저를 전혀 사용하지 않음)와 같은 대체 기술이 약 90%의 에너지 절감을 내세우는 이유입니다^[29].

복잡성은 거기서 끝나지 않습니다. EUV 광자는 매우 에너지가 높기 때문에 포토레지스트에서 미묘한 확률적 효과(무작위 변동으로 결함을 유발할 수 있음)를 일으킬 수 있고, EUV 마스크는 기존의 펠리클로 쉽게 보호할 수 없습니다(특수 EUV 펠리클 개발도 수년에 걸친 또 다른 과제였습니다). 시스템의 모든 부품—진공 스테이지, 초당 수 미터로 움직이는 6자유도 웨이퍼 포지셔너, 다층 미러의 결함 검사까지—가 공학의 한계를 밀어붙였습니다. “이건 매우 어려운 기술입니다. 복잡성 측면에서 아마 맨해튼 프로젝트 급일 겁니다,”라고 인텔의 리소그래피 책임자가 말하며 EUV 개발이 얼마나 도전적이었는지 설명했습니다^[30].

수년 동안 많은 전문가들은 EUV가 제때에 제대로 작동할 것이라고 의심했습니다. 주요 업체인 니콘과 캐논은 너무 많은 장애물에 부딪혀 EUV 연구를 포기했고, ASML(네덜란드)만이 이 기술을 계속 발전시키는 유일한 회사로 남았습니다^[31]^[32]. 결국 ASML의 도박은 성공으로 이어졌지만, 도움 없이는 불가능했습니다. 2012년, EUV의 전략적 중요성을 인식한 주요 반도체 업체인 인텔, TSMC, 삼성은 ASML에 약 40억 달러를 공동 투자하여 EUV 개발을 가속화했습니다 ^[33]. 2017년, ASML은 마침내 양산 가능한 EUV 스캐너(모델명 NXE:3400B)를 공개했고, 2019년에는 EUV로 제작된 최초의 상업용 칩이 출시되기 시작했습니다 ^[34]^[35]. 업계 관측자들은 이를 중대한 전환점으로 평가했습니다. 오랜 지연 끝에 EUV 혁명이 마침내 도착해 반도체 로드맵을 연장시켰기 때문입니다. MIT 테크놀로지 리뷰는 ASML의 EUV 장비를 “13나노미터만큼 작은 마이크로칩 구조를 만들 때 사용되는, 10만 개의 작은 메커니즘이 들어 있는… 한 대를 고객에게 배송하려면 747 항공기 네 대가 필요하다”는 탐나는 장치라고 평했습니다 ^[36]. 요약하자면, EUV 스캐너는 현대 공학의 경이로움으로, 이전에는 볼 수 없었던 규모와 복잡성으로 자외선을 활용합니다.

왜 UV 리소그래피가 마이크로프로세서에 중요한가

이 모든 복잡성의 보상은 명확합니다: 더 작은 트랜지스터와 더 높은 칩 성능입니다. 더 미세한 패턴을 인쇄함으로써, 칩 제조업체들은 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 집어넣을 수 있고(이는 일반적으로 더 높은 연산 성능 또는 칩당 비용 절감을 의미함), 신호가 이동해야 하는 전기적 정전용량과 거리를 줄일 수 있습니다(이는 더 빠른 스위칭 속도와 더 낮은 전력 소모를 의미함). 이것이 바로 무어의 법칙의 본질입니다. 즉, 트랜지스터의 크기를 줄여 각 칩 세대마다 더 많이 집어넣는 것이며, 리소그래피는 그 진보의 근본적인 원동력입니다 ^[37], ^[38]. “3nm 공정”으로 만들어진 새로운 스마트폰 칩이나 “5nm EUV 기술”의 서버 CPU에 대해 들을 때, 이 숫자들은 주로 첨단 리소그래피가 매우 작은 패턴을 정의할 수 있는 능력을 반영합니다(노드 명칭이 다소 마케팅적이긴 하지만, EUV가 가능하게 한 집적도 향상과 상관관계가 있습니다).

자외선 리소그래피의 중요성은 이러한 발전이 없었다면 어떻게 되었을지를 생각해보면 가장 잘 드러납니다. 만약 업계가 193nm DUV만을 고수했다면, 칩 제조업체들은 여전히 매우 강력한 칩을 만드는 방법을 찾았을지도 모르지만, 너무 많은 반복적인 공정 단계(그리고 수율을 떨어뜨리는 복잡성)가 필요해져 비용이 급등하고 진보가 극적으로 느려졌을 것입니다. 실제로 2010년대 중반쯤에는, 광학 리소그래피가 한계에 부딪히면서 무어의 법칙의 종말이 임박했다는 예측도 있었습니다. EUV는 새로운 생명줄을 제공하기에 딱 맞는 시기에 등장했습니다. 최첨단에서 더 단순한 단일 노광 패터닝을 복원함으로써, EUV는 스케일링 로드맵을 연장시켜 적어도 몇 세대는 더 이어갈 수 있게 했습니다. 오늘날 가장 앞선 칩들 중 상당수가 EUV 덕분에 존재할 수 있습니다. 예를 들어, 애플의 최신 A-시리즈 스마트폰 프로세서와 M-시리즈 맥 칩은 TSMC의 5nm EUV 공정으로 제조되어, 수백억 개의 트랜지스터 집적과 이전 세대 대비 속도 및 효율성의 큰 도약을 가능하게 했습니다 ^[39]. AMD의 라이젠 CPU와 GPU 역시, 그 중 다수가 TSMC 7nm 또는 5nm EUV 노드에서 생산되어 집적도 증가와 전력 절감의 이점을 누리고 있습니다. 심지어 최첨단 AI 가속기와 데이터 센터 프로세서 – 대규모 AI 모델을 구동하는 종류 – 역시 행렬 연산 엔진을 조밀하게 집적하고 전력 및 발열을 관리하기 위해 EUV 기반 5nm/4nm 공정에 의존하고 있습니다.

로직 칩만이 아닙니다. 메모리 칩 역시 UV 리소그래피의 발전으로 혜택을 받고 있습니다. 고성능 DRAM 제조업체들은 최신 세대의 일부 핵심 레이어에 EUV를 사용하기 시작했습니다(예: 삼성의 14nm급 DRAM은 여러 레이어에 EUV를 적용) 비트 밀도를 높이고 수율을 개선하기 위해서입니다 ^[40]. 마이크론도 차세대 DRAM 노드에 EUV를 도입하고 있습니다. 메모리에서 더 많은 EUV 레이어를 적용하면 칩당 저장 용량이 더 많아지고 비트당 비용이 낮아지며, 이는 결국 같은 가격에 더 많은 메모리를 사용할 수 있음을 의미합니다. 실제로 ASML의 CEO 피터 웬닉은 AI와 데이터에 대한 수요 급증이 메모리 제조업체들이 EUV를 빠르게 도입하도록 만들고 있다고 지적했습니다 – “DRAM 제조업체들은 현재와 미래 노드에서 더 많은 EUV 레이어를 사용하고 있다”고 그는 언급했으며, 이는 업계 전반에 걸쳐 이러한 장비에 대한 수요를 높이고 있습니다 ^[41].

요약하자면, UV 리소그래피는 마이크로프로세서의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 더 작은 트랜지스터를 제조할 수 있다는 것은 칩에 더 많은 코어나 캐시를 넣을 수 있을 뿐만 아니라, 각 트랜지스터 스위칭에 필요한 전력을 줄일 수도 있다는 의미입니다. 그래서 새로운 공정 세대마다 보통 15–30%의 성능 향상과 20–50%의 전력 감소가 같은 설계에서 이루어지거나, 혹은 트랜지스터 밀도를 두 배 이상 높일 수 있게 됩니다. 예를 들어, TSMC가 7nm(주로 DUV) 공정에서 5nm(EUV) 공정으로 전환했을 때 로직 밀도는 약 1.8배 증가하고, 동등 전력에서 약 15% 속도 향상이 있었습니다 ^[42]. 이러한 개선은 더 빠른 스마트폰, 더 효율적인 데이터 센터, 그리고 고성능 컴퓨팅 작업에서의 혁신으로 이어집니다. 자외선 리소그래피는 이러한 발전을 실리콘에 새기는 보이지 않는 손입니다. 한 업계 리서치 디렉터는 이렇게 요약했습니다: “EUV 없이는 진정한 최첨단 프로세서를 만들 수 없다”^[43] – 그만큼 진보의 곡선을 따라가기 위해 필수적입니다.

도전과 최근의 발전

자외선 리소그래피는 놀라운 발전을 이끌었지만, 동시에 지속적인 혁신을 요구하는 중요한 과제에도 직면해 있다. 다음은 주요 문제점과 이를 해결하기 위한 최근의 발전 사항들이다:

도구 비용 및 복잡성: EUV 스캐너의 가격(대당 약 1억 5천만 달러 이상)과 그 엄청난 복잡성은 칩 제조업체의 진입 장벽을 높입니다 ^[69]. 소수의 기업만이 이러한 장비를 대규모로 보유할 수 있습니다. 비용을 정당화하려면, 팹은 높은 가동률과 높은 수율이 필요합니다. 진보: 차세대 High-NA EUV 장비는 훨씬 더 비싸며(대당 3억 달러 이상) ^[70], 더 높은 처리량과 해상도를 약속하여 트랜지스터당 비용을 낮출 수 있습니다. 또한, 머신러닝과 컴퓨테이셔널 리소그래피의 발전은 각 장비의 성능을 극대화하는 데 도움을 줍니다(패턴 정밀도와 공정 윈도우 개선을 통해).
처리량(스캐너 속도): 초기 EUV 장비는 DUV 장비보다 시간당 처리하는 웨이퍼 수가 적었는데, 이는 부분적으로 제한된 광원 출력과 더 섬세한 광학계 때문이었습니다. 낮은 처리량은 팹 생산성 저하로 이어집니다. 진보: EUV 광원 출력은 꾸준히 향상되어(오늘날의 광원은 250W를 초과, 초기 생산 장비는 약 125W) ASML의 최신 EUV 스캐너는 최적 조건에서 시간당 약 160장의 웨이퍼를 노광할 수 있습니다. 곧 출시될 High-NA EUV 시스템은 더 높은 수치 개구(Numerical Aperture, NA) 0.55 vs 0.33의 새로운 광학계를 적용하여 해상도는 향상되지만, 초기에는 노광 필드 크기가 줄어듭니다. 이를 보완하기 위해 ASML은 이 장비들이 궁극적으로 시간당 약 185장의 웨이퍼 처리량을 달성하도록 설계하고 있습니다. 실제로, ASML은 2025년에 첫 High-NA EUV 모델(EXE:5200)을 출하했으며, 현재 EUV 장비 대비 생산성 60% 향상을 제공할 것이라고 밝혔습니다 – 대략 시간당 175장 웨이퍼로, 이는 DUV 스캐너와 비슷한 수준입니다 ^[71].
결함 및 수율: EUV는 반사 마스크를 사용하고 나노미터급에서 동작하기 때문에, 결함 제어가 매우 중요합니다. 미세한 마스크 결함이나 이물질이 웨이퍼에 전사될 수 있고, EUV 포토레지스트와 공정에서 최적화가 안 되면 무작위 결함(확률적 문제)이 발생할 수 있습니다. 진보: 업계는 여러 차례의 시행착오 끝에 EUV용 보호용 마스크 펠리클을 개발했습니다(마스크에 이물질이 붙지 않도록). 포토레지스트 화학도 진화 중이며, 새로운 레지스트 소재와 언더레이어 기술로 감도와 선폭 거칠기가 개선되었습니다. 칩 제조업체들은 EUV 도입 초기의 수율 문제는 대부분 극복되었고, 결함률도 이전 노드와 비슷한 수준이라고 보고합니다 ^[72]. 그럼에도 불구하고, 연구자들은 레지스트와 마스크 기술을 계속 개선하고 있으며(금속 산화물 레지스트 등 EUV용 새로운 접근법도 탐구 중),
전력 소비: 앞서 언급했듯이, EUV 스캐너는 많은 전력을 소모합니다. 각 장비는 레이저 소스, 진공 펌프, 냉각 시스템 등으로 인해 메가와트 단위의 전기를 사용할 수 있습니다 ^[73]. 이는 상당한 운영 비용을 유발하며, 팹의 환경적 영향도 높입니다. 진보: 나노임프린트와 같은 대체 리소그래피 방식은 전력 사용을 대폭 줄이는 것을 목표로 합니다(캐논은 에너지 사용량을 90%까지 줄일 수 있다고 주장함) ^[74]. EUV 자체 내에서도, 엔지니어들은 더 효율적인 소스(예: 레이저 에너지를 EUV 광으로 변환하는 효율 향상)를 위해 노력하고 있어, 미래 장비는 더 적은 입력 전력으로 더 많은 빛을 만들어낼 수 있습니다. 소스 효율이나 미러 반사율에서의 작은 향상도 수천 장의 웨이퍼를 처리할 때 상당한 전력 절감 효과를 가져올 수 있습니다.
광학 해상도의 한계: 13.5nm의 EUV조차도 결국 스케일링 한계에 도달하게 됩니다. 현재의 EUV 장비(0.33 NA)는 약 30nm 피치 패턴을 무리 없이 처리할 수 있지만, 그 이하로는 멀티 패터닝이나 High-NA EUV가 ~2nm 노드 이하에서 필요하게 됩니다. 진보: High-NA EUV는 사실상 다음 큰 도약입니다. 새로운 광학 설계로 렌즈 NA를 0.55까지 높임으로써(특히, 새로운 6인치 마스크 크기와 완전히 새로운 장비 플랫폼이 필요함), 이 시스템들은 약 30~40% 더 작은 피처를 구현할 수 있습니다 ^[75]. ASML은 High-NA EUV가 더 미세한 피처와 더 촘촘한 피치 구현을 통해 칩의 트랜지스터 밀도를 거의 세 배까지 높일 수 있다고 말합니다 ^[76]. 최초의 High-NA EUV 장비는 2025~2026년경 인텔에서 파일럿 용도로 도입될 예정이며, 2028년경 대량 생산에 사용될 것으로 예상됩니다 ^[77]. 이 확장으로 업계는 2nm, 1.5nm, 1nm 노드까지 진입할 수 있을 것으로 보입니다(명칭과 달리 실제 피처 피치는 수십 나노미터대임). 그 이후에는 “Beyond EUV”와 같이 더 짧은 파장이나 혁신적인 패터닝 방식 등 다른 접근법이 필요할 수 있습니다.
대체 리소그래피 기술: 핵심 리소그래피 역량이 한 회사(ASML)와 한 기술(EUV)에 집중되면서 대체 또는 보조 기술에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 진전 상황: 캐논의 NIL 외에도 Directed Self-Assembly (DSA)—특수 소재를 사용해 매우 미세한 패턴을 자발적으로 형성하게 하여 특정 구조에서 리소그래피를 보완하는 기술—에 대한 연구가 진행 중입니다. 또 다른 접근법은 다중광자 또는 양자 리소그래피로, 아직은 주로 학문적 단계에 머물러 있습니다. 전자빔 리소그래피(전자빔을 이용한 직접 패턴 작성)는 마스크 제작과 프로토타이핑에 사용되지만, 대량 생산에는 너무 느립니다. 그럼에도 불구하고, 일부 기업들은 틈새 패터닝을 위해 다중빔 전자빔 장비를 모색하고 있습니다. 이러한 대안들이 성숙한다면, 언젠가는 광학 리소그래피의 부담을 줄이거나 일부 층의 비용을 절감할 수 있을 것입니다. 하지만 현재로서는 “있으면 좋은” 연구 단계에 머물러 있으며, 광학 UV 리소그래피가 여전히 필수적인 주류 기술로 남아 있습니다.

전문가 인사이트 및 미래 전망

업계 전문가들의 공통된 의견은 자외선 리소그래피가 당분간 반도체 제조의 핵심축으로 남을 것이라는 점입니다. 다만, 지속적인 진화가 동반될 것입니다. “우리는 계속해서 엔지니어링하고 개발합니다… 우리와 고객 모두에게 가파른 학습 곡선이 있습니다,”라고 ASML 대변인은 High-NA EUV 도입과 관련해 밝혔으며, 각 단계의 도약(예: High-NA)마다 광범위한 미세 조정이 필요함을 강조했습니다 ^[78]. 분석가들은 또한 비용 효율성이 도입을 좌우할 것이라고 경고합니다: “일부 칩 제조사는 기술 선도를 위해 [High-NA EUV]를 더 일찍 도입할 수 있지만, 대부분은 경제적으로 타당해질 때까지 채택하지 않을 것입니다,”라고 SemiAnalysis의 Jeff Koch는 언급하며, 대부분은 그 이점이 비용을 정당화하는 2030년경까지 기다릴 것이라고 예측했습니다^[79]. 이에 대해 ASML의 CEO Peter Wennink는 High-NA가 더 빨리 가치를 입증할 것이라고 주장합니다: “고객들과 함께하는 모든 것을 보면 High-NA가 [그들에게] 더 저렴합니다”라며 차세대 스케일링 달성에 있어 그 이점을 강조했습니다 ^[80]. 이러한 낙관적 전망은, 복잡성이 증가함에 따라 더 진보된 리소그래피가 오히려 전체 비용을 줄일 수 있다는 점을 시사합니다. 추가 공정 단계를 줄일 수 있기 때문입니다.

ASML의 중심적인 역할은 아무리 강조해도 지나치지 않다 – 이 사실은 각국 정부도 잘 알고 있다. 첨단 반도체가 경제적·군사적 이점을 제공하는 세상에서, 리소그래피 장비는 전략적 자산이 되었다. 네덜란드 정부(미국의 지원 하에)는 ASML의 첨단 장비 대중국 수출을 엄격히 제한해왔다 ^[81]. 이 조치는 “베이징의 반도체 야망을 저지하기 위한”^[82] 것이다. 이로 인해 글로벌 반도체 공급망이 양분되었다: 가장 첨단의 로직 칩은 현재 소수의 지역(대만, 한국, 그리고 곧 TSMC/인텔 공장을 통한 미국)에서만 생산되고 있으며, 모두 ASML의 EUV 장비를 사용한다. 중국은 구형 공정에서 따라잡고 자국산 리소그래피를 개발하기 위해 막대한 투자를 하고 있지만, 전문가들은 지식과 지적재산권 장벽이 높아 동등한 수준에 도달하려면 수년이 걸릴 수 있다고 본다.

한편, UV 리소그래피 장비에 대한 수요가 반도체 호황과 함께 급증하고 있다. AI와 고성능 컴퓨팅의 성장이 주요 반도체 공장의 생산능력 확대로 이어지고 있다. ASML의 EUV 장비 수주량은 사상 최고치를 기록했으며, 최근 한 분기에는 주문이 100억 달러로 급증했는데, 이는 주로 미래의 EUV 및 High-NA 시스템 때문이다 ^[83]. 회사는 EUV 관련 매출이 2025년에 약 40~50% 증가할 것으로 전망 ^[84]하고 있으며, 이는 메모리나 중국발 수요 둔화에도 불구하고 전체 매출을 끌어올릴 전망이다 ^[85]. 즉, 최첨단 리소그래피 시장은 견고하게 성장하고 있으며, ASML은 매년 수십 대의 EUV 장비를 추가로 출하할 것으로 기대하고 있다. 2030년이 되면 High-NA EUV가 확산될 가능성이 높으며, EUV 이후의 시대에 대한 논의가 시작될 것이다.

다음에는 무엇이 올까요? 일부 연구자들은 “EUV 이후(Beyond EUV)”에 대해 이야기합니다. 아마도 연질 X-선 영역(~6–8 nm)의 더 짧은 파장이나 전자/이온 투영 리소그래피를 사용할 수 있지만, 이러한 경로 각각은 만만치 않은 물리적 도전에 직면해 있습니다. 현재로서는 업계 전략이 EUV를 최대한 활용하는 것입니다. 먼저 High-NA EUV를 도입해 1~2세대 더 미세화하고, EUV를 칩렛 아키텍처 및 3D 적층과 같은 영리한 공정 통합과 결합하여 단일 2D 미세화의 필요성을 완화하는 것입니다. 리소그래피는 다양한 기술이 혼합되어 남아 있을 것입니다. DUV는 사라지지 않으며(EUV와 함께 사용될 예정), 나노임프린트와 같은 새로운 방법도 입증된다면 주류 공정을 보완하는 틈새를 찾을 수 있습니다. 그러나 광학 리소그래피에서 근본적으로 벗어나는 변화는 칩 설계의 패러다임 변화도 필요할 것이며, 이는 아직 대량 생산의 지평선에 나타나지 않았습니다.

TSMC 회장 Mark Liu의 말에 따르면, 반도체 산업은 수십 년간 “터널 속에서 일해왔다”고 합니다. 명확한 목표는 미세화, 미세화, 미세화였습니다. ^[86]. 자외선 리소그래피는 그 터널을 비추는 빛이었습니다. 수은 램프와 원시적인 UV로 시작해, 20년 넘게 우리를 이끌었던 익시머 딥-UV 레이저로 발전했으며 ^[87], 이제는 극자외선(EUV) 시대에 도달해 터널을 더 연장했습니다. 이 여정은 결코 쉽지 않았으며, 승리의 순간과 잦은 의심이 교차했지만, 그 결과는 놀라울 따름입니다. 수십 억 개의 구조가 수십 개 원자 폭으로 완벽하게 대형 웨이퍼에 패턴화되어, 한 세대 전에는 불가능해 보였던 컴퓨팅 성과를 가능하게 했습니다.

앞을 내다보면, 마이크로프로세서 개발은 리소그래피와 그 어느 때보다 밀접하게 얽혀 있습니다. 차세대 CPU, GPU, AI 가속기의 성능과 역량은 얼마나 미세하고 신뢰성 있게 그들의 구조를 인쇄할 수 있는지에 크게 달려 있습니다. 자외선 리소그래피는 이를 가능하게 하는 핵심 도구입니다. 업계 전문가들은 High-NA 광학, 더 스마트한 소프트웨어, 그리고 NIL이나 DSA와 같은 기존 틀을 깬 아이디어 등 지속적인 혁신을 통해 리소그래피가 계속 발전할 것이라고 낙관합니다. ASML의 CEO는 EUV와 그 확장 로드맵이 향후 10년간은 확고하다고까지 말하며, 칩 제조업체에 지속적인 개선을 위한 명확한 활주로를 제공한다고 합니다. 글로벌 시장 동향은 건전한 성장과 치열한 경쟁을 보여주지만, 동시에 몇몇 핵심 기술과 공급업체로의 수렴도 나타납니다.

요약하자면, 자외선 리소그래피의 세계는 최첨단 물리학과 공학의 융합체이자, 막대한 경제적·전략적 이해관계가 걸린 분야입니다. 비록 자외선이라는 보이지 않는 영역에서 작동하지만, 그 영향력은 해마다 더 강력해지는 마이크로프로세서의 형태로 분명하게 드러납니다. 다음에 새로운 “나노미터” 칩 돌파구 소식을 들을 때, 그 이면에서 작동하는 자외선 혁명을 떠올려 보세요. 딥 UV에서 극자외선, 그리고 그 너머까지, 이 기술들은 진정으로 마이크로칩의 미래를 형성하고 있습니다. 인류 기술 진보의 다음 장을 한 번의 광자 섬광마다 새겨 넣고 있습니다.

출처

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M. Chaban, “Lighting the way: How ASML revived Moore’s Law,” Google Cloud Blog, Mar. 28, 2023 ^[91]^[92]
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T. Sterling, “ASML’s next chip challenge: rollout of its new $350 mln ‘High NA EUV’ machine,” Reuters, Feb. 9, 2024 ^[95]
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T. Sterling, “Dutch government excludes most ASML sales to China from export data,” Reuters, Jan. 17, 2025 ^[97]
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