극자외선(EUV) 포토리소그래피: 미래 칩의 기반이 되는 기술

칩의 미래, 가장 강력한 휴대폰, 또는 다가올 인공지능에 대해 이야기할 때면 항상 등장하는 용어가 하나 있습니다. 극자외선 포토리소그래피(EUV 리소그래피라고도 함)이 기술은 세계에서 가장 첨단적인 반도체 기술 발전의 병목 현상이자 원동력이 되었습니다.

EUV 리소그래피라는 개념은 매우 기술적으로 들리지만, 그것이 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 누가 통제하는지, 그리고 지정학 및 세계 경제에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것은 반도체 칩 부족 현상, 일부 국가들이 이 장비를 확보하기 위해 경쟁하는 이유, 그리고 기업들이 EUV에 집중하는 이유를 이해하는 데 매우 중요합니다. ASML, TSMC, 삼성 또는 인텔 그것들은 세계적인 차원에서 전략적으로 중요한 위치를 차지하게 되었습니다.

극자외선(EUV) 포토리소그래피란 무엇인가요?

반도체 산업에서 EUV 리소그래피는 다음을 의미합니다. 극자외선을 이용하는 포토리소그래피 기술 파장이 13,5나노미터인 X선은 전자기 스펙트럼 내에서 소위 연X선 영역에 속합니다. 이 파장은 가시광선(400~700나노미터)보다 훨씬 짧고, 일반적으로 248나노미터(KrF) 또는 193나노미터(ArF)에서 작동하는 심자외선(DUV) 리소그래피의 파장보다도 짧습니다.

이처럼 매우 짧은 파장을 사용하면 다음과 같은 이점이 있습니다. 훨씬 더 작고 조밀한 패턴을 정의합니다. 실리콘 웨이퍼 상에서 구현되는 이 기술은 단일 칩에 수십억 개의 트랜지스터를 집적할 수 있는 가능성을 의미합니다. 7nm, 5nm, 3nm, 2nm, 1,8nm 등 각 세대의 새로운 리소그래피 노드는 더 빠른 속도와 더 큰 용량을 가진 칩을 제공합니다. 에너지 소비량이 현저히 낮아짐.

DUV 또는 EUV를 사용하는 포토리소그래피는 기본적으로 다음과 같은 요소로 구성됩니다. 감광성 레지스트로 코팅된 웨이퍼에 기하학적 패턴을 투영합니다.이 광중합체는 마스크(또는 포토마스크)를 통해 선택적으로 빛을 비추면 변형되어 노출된 영역이 용해되거나 용해되지 않게 되므로 기판에 미세 구조를 식각할 수 있습니다. EUV를 사용하는 경우에도 물리적 원리는 동일하지만 시스템의 기술적 복잡성은 크게 증가합니다.

핵심적인 사실은 다음과 같습니다. 13,5nm의 파장은 10배 이상 더 작습니다. ArF 스캐너에 사용되는 파장(193nm)보다 작습니다. 이 덕분에 EUV 장비는 20nm보다 더 작은 디테일을 인쇄할 수 있는데, 이는 기존 리소그래피에서는 매우 복잡하고 느리며 비용이 많이 드는 멀티 패턴 기술을 통해서만 가능했던 것입니다.

EUV 광은 어떻게 생성되고 처리되는가?

제어된 방식으로 필요한 출력으로 13,5nm 파장의 빛을 생성하는 것은 이 기술의 주요 기술적 과제 중 하나현재 시스템에서는, 고출력 CO₂ 레이저 광원 이 장치는 움직이는 아주 작은 액체 주석 방울에 매우 빠른 두 개의 펄스를 발사합니다. 첫 번째 펄스는 방울을 변형시키고, 두 번째의 더 강한 펄스는 방울을 기화시켜 플라즈마를 형성합니다.

이 고온의 주석 플라즈마는 극자외선(EUV)을 방출하며, 이 복사선은 집광 거울에 포착되어 나머지 광학 시스템으로 전달됩니다. 이 전체 과정은 놀라운 속도로 반복됩니다. 초당 50.000회산업 생산 속도를 유지할 수 있을 만큼 충분히 강렬한 빛의 흐름을 생성하기 위해.

EUV 복사선은 공기에 흡수되므로 광원에서 웨이퍼까지 이동하는 경로는 반드시 공기 내부여야 합니다. 고품질 진공 챔버또한, 먼지 입자 하나 또는 광학 부품의 아주 작은 불규칙성이라도 투영된 이미지를 망칠 수 있으므로 청결도, 기계적 안정성 및 진동 제어에 대한 요구 사항은 매우 까다롭습니다.

반사 광학 장치, 불가능한 거울, 그리고 특수 마스크

투과 렌즈와 투명 석영 마스크를 사용하는 DUV 리소그래피와 달리 EUV 리소그래피는 다음을 기반으로 합니다. 완전 반사 광학 장치이유는 간단합니다. 기존 렌즈에 사용되는 유리를 포함한 거의 모든 재료는 13,5nm 파장의 빛을 흡수하기 때문입니다.

EUV 시스템은 렌즈 대신 다음과 같은 구성 요소를 사용합니다. 초정밀 다층 거울 이 거울들은 광원에서 웨이퍼로 향하는 빔을 유도하고 초점을 맞추는 역할을 합니다. 이 거울들은 원자 수준의 정밀도로 증착된 수십 개의 서로 다른 재료 층으로 구성되어 있어 물리적 한계 내에서 가능한 최고의 효율로 EUV 복사선을 반사할 수 있습니다.

하지만 이러한 정교한 솔루션에도 불구하고 각 거울은 자신이 받는 빛의 상당 부분을 흡수합니다. ASML의 현재 시스템은 최소 두 개의 집광 거울과 여섯 개의 투영 거울을 사용하며, 이들을 모두 합치면 방출된 빛의 약 96%가 손실됩니다.이를 위해서는 EUV 광원이 매우 밝아야 하며, 그래야 모든 반사를 거친 후에도 충분한 에너지가 웨이퍼에 도달할 수 있습니다.

마스크도 다릅니다. 불투명한 부분이 있는 투명한 판 형태 대신 EUV는 다음과 같은 것을 사용합니다. 반사 마스크이 웨이퍼들은 여러 층으로 이루어져 있으며, 표면에 양각으로 새겨진 패턴과 반사율을 조절하는 코팅이 있습니다. 마스크나 미러에 결함이 생기면 즉시 인쇄 오류가 발생하고, 결과적으로 불량 웨이퍼가 생성됩니다.

ASML의 EUV 장비가 특별한 이유는 무엇일까요?

네덜란드 회사 ASML이 제조하는 EUV 포토리소그래피 장비는 말 그대로, 지금까지 만들어진 가장 복잡한 기계들 중 일부1세대 EUV 장치 하나에는 10만 개 이상의 부품, 약 3천 개의 케이블, 4만 개의 볼트, 그리고 약 2km에 달하는 내부 전기 배선이 통합되어 있습니다. 그리고 이 모든 것은 매우 정교한 제어 소프트웨어에 의해 완벽하게 조율됩니다.

이처럼 복잡한 구조 때문에 장비는 엄청나게 커졌습니다. 각 기계는 마치 거대한 건물처럼 엄청난 공간을 차지합니다. 시내버스 또한, 이 장비는 여러 보조 모듈, 냉각 시스템, 진공 장비 및 정밀 전자 장치를 필요로 합니다. 게다가, 완전히 조립된 상태로 출하되지 않고 수백 개의 상자에 담겨 운송된 후 고객 공장에서 현장 조립 및 교정 작업을 거칩니다.

ASML의 성공은 상당 부분 기술 파트너 네트워크에 달려 있습니다. 이 기계들의 부품 중 90%는 다른 제조업체에서 공급받습니다. 전 세계에 유통되고 있습니다. 그중에서도 Cymer와 ZEISS라는 두 핵심 기업이 눈에 띄는데, 이 두 회사는 EUV 리소그래피가 제대로 작동하는 데 절대적으로 필수적입니다.

ZEISS의 공헌: 물리학의 한계를 뛰어넘는 광학 기술

또 다른 핵심 파트너는 역사적인 독일 고정밀 광학 회사인 ZEISS입니다. ZEISS는 설계 및 제조를 담당합니다. EUV 장비 반사형 광학 부품 ASML에서 제작한 초기 집광 거울부터 패턴을 실리콘에 전사하는 복잡한 투영 광학 장치에 이르기까지 모든 부품이 포함됩니다.

이 거울들은 특정 파장에 맞춰 작동해야 합니다. 13,5nm의 균일성과 정밀도 유지 극단적인 파형의 경우입니다. 표면의 평탄도가 매우 높아 거울을 국가 크기로 확대하더라도 불규칙성은 풀잎 높이보다 작을 것입니다. 아주 미미한 편차라도 패턴을 손상시켜 웨이퍼를 사용할 수 없게 만듭니다.

ZEISS는 거울 외에도 다양한 제품 개발에 참여하고 있습니다. 실시간으로 보정하는 센서 및 액추에이터 이 시스템은 작동 중에 발생할 수 있는 미세한 변형, 변위 또는 진동을 감지합니다. 또한 광학 시스템의 동작을 지속적으로 모니터링하고 매우 엄격한 허용 오차 범위 내에 유지되도록 하는 소프트웨어를 제공합니다.

고해상도 EUV: 3nm 장벽을 뛰어넘는 차세대 기술

ASML은 1세대 EUV 장비 분야에서 수년간의 경험을 통해 입지를 다진 후, 차세대 장비 개발을 통해 한 단계 더 나아갔습니다. 높은 개구수(High-NA) EUV로 알려져 있음가장 대표적인 상용 모델은 트윈스캔 EXE:5200으로, 오늘날 세계에서 가장 진보된 리소그래피 장비로 여겨집니다.

이러한 새로운 시스템의 핵심은 광학 시스템의 개구수(NA) 증가에 있습니다. 현재 EUV 장비의 NA는 0,33이지만, High-NA에서 NA = 0,55간단히 말해, 이는 13,5nm의 동일한 파장에서 훨씬 더 미세한 디테일을 인쇄할 수 있게 해 주어 웨이퍼에 전사되는 패턴의 해상도를 향상시킵니다.

이러한 개선 덕분에 고해상도 EUV 장비는 집적 회로 제조의 가능성을 열어주었습니다. 3nm의 상업적 기준치를 넘어, 허용 약 2nm 노드 그리고 인텔이 사용할 계획인 18A(1,8nm) 기술까지도 포함됩니다. 더 나아가 ASML은 기계 및 웨이퍼 처리 시스템을 최적화하여 단일 고해상도(High-NA) 장비로 시간당 200개 이상의 웨이퍼를 처리할 수 있도록 했으며, 이는 칩당 경쟁력 있는 비용을 유지하는 데 매우 중요합니다.

High-NA 장비의 가격은 대략 다음과 같이 예상됩니다. 단위당 300 만 달러이는 1세대 EUV 장비 가격(약 1억 5천만 원)의 거의 두 배에 달하는 금액입니다. 그럼에도 불구하고, 업계를 선도하고자 하는 제조업체들에게는 사실상 필수적인 투자입니다.

막대한 지정학적 영향력을 지닌 기술 독점

EUV 리소그래피 시장에는 부인할 수 없는 사실이 하나 있습니다. ASML은 이러한 기계를 생산할 수 있는 유일한 제조업체입니다. 산업 규모로 이루어지고 있습니다. 이러한 독점은 반도체 가치 사슬 내에서 전례 없는 막강한 권력으로 이어집니다.

TSMC, 삼성, 인텔과 같은 거대 기업들은 ASML의 EUV 장비를 사용하여 최첨단 칩을 생산합니다. 소득의 4분의 1 ASML의 매출은 서비스 계약, 업그레이드, 교육 및 유지보수를 제외하고도 EUV 시스템 판매에서 직접적으로 발생하고 있습니다.

이 기술 분야에는 또한 다음과 같은 특징이 있습니다. 명확한 지정학적 차원미국과 중국 간의 긴장이 고조되면서 EUV 리소그래피가 논쟁의 중심에 놓였습니다. 미국은 네덜란드에 최첨단 장비의 대중국 수출을 제한하도록 압력을 가해, 중국의 첨단 기술 접근을 억제하려 하고 있습니다. 한편, 캐논과 같은 일본 제조업체들은 이론적으로 2nm 공정을 구현할 수 있는 나노임프린트 리소그래피(NIL)와 같은 대안을 모색하고 있지만, 현재로서는 EUV가 기술 최첨단에서 사실상의 표준으로 자리 잡고 있습니다.

오늘날 칩 제조에 EUV 리소그래피가 그토록 중요한 이유는 무엇일까요?

EUV 리소그래피의 중요성은 우리가 매일 사용하는 기기들을 살펴보면 가장 잘 이해할 수 있습니다. 스마트폰, 스마트워치, 비디오 게임 콘솔 및 컴퓨터 보다 최근에는, 둘 다 칩 디자인 제조 과정에서도 마찬가지로 7nm, 5nm 또는 그 이하 공정으로 생산된 CPU, GPU, SoC 및 메모리를 사용하는데, 이 공정의 특정 레이어에서는 EUV가 이미 필수적입니다.

예를 들어 삼성은 EUV 기술을 자사 제품 생산에 사용한다고 발표했습니다. 7LPP라고 불리는 7nm 칩이러한 기술은 고용량 5G 네트워크, 고급 인공지능 애플리케이션, 사물 인터넷 및 자율 주행 시스템을 구현하는 데 필수적입니다. 회사에 따르면 EUV로의 전환은 기존의 멀티 패턴 ArF 기반 기술에 비해 에너지 소비를 최대 50%까지 줄이고 성능을 20% 향상시키며 설치 공간을 약 40% 축소할 수 있습니다.

애플, 화웨이 등 주요 칩 설계 회사들도 이들을 이용합니다. EUV를 사용하는 파운드리 더 빠르고 효율적인 기기를 제공하기 위해서입니다. 단순히 성능 향상뿐만 아니라, 전력 소비와 발열을 줄이는 것은 휴대폰, 노트북, 서버가 적절한 온도 범위 내에서 더 나은 성능을 발휘하는 데 매우 중요합니다.

EUV 리소그래피와 DUV 리소그래피의 주요 장점

EUV 리소그래피의 첫 번째 주요 장점은 다음과 같은 가능성이 있다는 것입니다. 훨씬 더 작은 특징을 인쇄하세요이처럼 짧은 파장과 적절한 개구수를 이용하면, 동일한 칩 크기에서 기존 기술에 비해 트랜지스터 수를 몇 배로 늘릴 수 있는 구조를 제작할 수 있습니다.

이는 다음과 같은 칩으로 번역됩니다. 더 높은 처리 용량, 더 많은 통합 메모리 무엇보다도, 작업당 에너지 소비량이 크게 줄어듭니다. 데이터 센터, 통신 네트워크 또는 대규모 AI 애플리케이션의 경우, 이러한 에너지 효율성 향상은 운영 비용에 상당한 영향을 미칩니다.

두 번째 장점은 공정과 관련된 것입니다. EUV는 다음과 같은 이점을 제공합니다. 필요한 리소그래피 단계 수를 줄입니다. 동일한 패턴을 얻기 위해, ArF 및 멀티 패턴 방식은 복잡한 구조를 구현하기 위해 3~4번의 노광이 필요할 수 있지만, EUV 방식은 대개 1번의 노광만으로 충분합니다. 이는 제조 공정을 간소화하고 수율을 향상시키며, 중장기적으로 칩당 비용을 절감할 수 있게 합니다.

더 나아가, 더 작은 표면적에 더 많은 기능을 집중시킬 수 있게 됨으로써, CPU, GPU, AI 가속기, 메모리 및 특정 로직 블록이 동일한 실리콘 칩에 공존하는, 점점 더 통합된 시스템 온 칩 아키텍처의 가능성이 열립니다. 이는 특정 조건이 충족될 때만 실현 가능한 것입니다. 매우 높은 집적 밀도.

EUV의 현재 단점 및 한계

EUV 리소그래피의 주요 장애물은 의심할 여지 없이 바로 이것입니다. 기계의 천문학적인 비용 그리고 그것들을 구현하는 데 필요한 인프라도 포함됩니다. 단순히 대당 1억 달러를 훌쩍 넘는 장비뿐만 아니라, 첨단 클린룸, 강력한 전원 공급 장치, 그리고 매우 복잡한 지원 시스템을 갖춘, 그 장비들을 중심으로 설계된 전체 플랜트까지 모두 포함하는 것입니다.

이는 TSMC, 삼성, 인텔 등 몇몇 최상위 파운드리와 IDM 업체만이 EUV 기술을 대규모로 도입할 여력이 있다는 것을 의미합니다. 나머지 업계 대부분은 여전히 ​​DUV 리소그래피를 사용하고 있는데, 이는 가격이 더 저렴하고 본래 목적에 충분히 부합하기 때문입니다. 덜 발전된 칩 자동차, 기본 가전제품 및 다양한 산업 시스템에 사용되는 것과 같은 것들입니다.

게다가 기술 발전은 여전히 ​​발목을 잡고 있습니다. 기술적 도전 중요한 요소로는 광원의 출력, 고에너지 방사선에 대한 광학 코팅의 수명, 반사 마스크의 복잡성, 웨이퍼당 결함을 유발하지 않고 높은 생산성을 유지해야 하는 필요성 등이 있으며, 이러한 문제들은 세대를 거듭할수록 계속해서 개선되고 있습니다.

ASML, 인텔, 삼성, TSMC: 상호 의존적인 관계의 사슬

ASML과 주요 칩 제조업체 간의 협력은 단순한 고객-공급업체 관계에 그치지 않습니다. 예를 들어 인텔은 약 1억 2천만 달러를 투자했습니다. 2012년 ASML의 시가총액은 4.000억 달러였습니다. 최초의 EUV 장비 개발을 지원하고, 해당 기술에 대한 우선 접근권을 확보하며, 개발에 적극적으로 참여합니다.

ASML은 현재 전략적 고객들에게 최초의 고해상도 EUV 시스템을 공급하고 있습니다. 첫 번째 Twinscan EXE:5200 시스템은 캘리포니아주 힐스버러에 있는 인텔 공장에 납품되었으며, 이는 인텔이 2020년대 후반에 18A(1,8nm) 노드를 구현하려는 로드맵과 일맥상통하는 행보입니다. TSMC 및 삼성과의 격차를 줄이세요 기술적 리더십 경쟁에서.

한편 삼성과 TSMC는 EUV 생산 능력 확보와 ASML 출하 우선권을 놓고 경쟁하고 있다. 코로나19 팬데믹으로 악화된 수출 지연은 때때로 문제를 야기하기도 했다. 로드맵을 재조정하세요3nm와 같은 노드의 시범 생산을 연기하고 애플, 퀄컴 또는 대형 자동차 제조업체와 같은 고부가가치 고객 간의 웨이퍼 배분을 재조정합니다.

이러한 전체 생태계로 인해 EUV 시스템의 가용성, ASML의 납품 속도, 그리고 Cymer, ZEISS 및 기타 공급업체의 적응성이 결정적인 요소가 되었습니다. 어떤 기업과 어떤 국가가 주도권을 잡고 있습니까? 차세대 반도체 산업에서.

극자외선 포토리소그래피는 무어의 법칙을 유지하고 7, 5, 3나노미터 칩을 제조하며 2나노미터 이하의 칩 개발로 나아가는 데 핵심적인 역할을 해왔지만, 동시에 소수의 업체가 독점하는 매우 희소하고 값비싼 자원이기도 합니다. 극자외선 포토리소그래피의 물리적 원리, 당면 과제, 그리고 시장을 이해하면 우리가 매일 사용하는 휴대폰, 자동차, 클라우드 컴퓨팅이 전 세계에 흩어져 있는 몇몇 거대한 장비에 의존하는 이유를 알 수 있습니다. ASML과 파트너사들은 EUV 기술의 한계를 지속적으로 넓혀갈 수 있는 능력을 갖추고 있습니다..