이재용(왼쪽 세번째) 삼성전자 회장, 윤석열(왼쪽 다섯번째) 대통령, 최태원(맨 오른쪽) SK그룹 회장이 네덜란드 ASML 본사에 설치된 하이-NA 장비 앞에서 기념촬영을 하고 있습니다. 사진제공=대통령실삼성전자 반도체(DS)부문이 하이(High)-NA 극자외선(EUV) 장비를 이르면 연말부터 반입합니다. 차세대 노광장비 외에도 하이-NA용 마스크를 검사할 수 있는 장비까지 개발하고 있습니다. 인텔·TSMC 등 세계적인 반도체 라이벌들과의 '칩 워'에서 경쟁력을 가지기 위해 기술 개발에 적극적으로 뛰어드는 모양새입니다.
13일 업계 취재를 종합하면 삼성전자는 이르면 올 연말~내년 1분기 사이에 회사의 첫 하이-NA EUV 장비인 'EXE:5000' 반입을 시작합니다. 첫 하이-NA가 놓일 장소로는 화성캠퍼스에 있는 반도체연구소(NRD)가 유력하게 검토되고 있다고 합니다. 삼성의 1호 High-NA EUV 장비는 파운드리용 기기가 될 것으로 보입니다.
ASML이 만드는 하이-NA EUV 장비의 첫 번째 고객은 미국의 인텔입니다. 삼성전자는 인텔과 대만 TSMC에 이어서 이 장비를 받는다고 합니다.
ASML은 EXE:5000을 8대 만드는데요. 인텔이 첫 장비 뿐만 아니라 여러 대를 싹쓸이하다시피 가져갔죠. 그래서 삼성은 마지막 8번째 양산 장비를 구매한 고객이라는 이야기도 있습니다. SK하이닉스는 D램에 High-NA EUV를 도입하기 위해 차기 버전인 EXE:5200을 처음 회사 안에 들일 것으로 예상됩니다.
ASML의 High-NA EUV 장비. 대당 5000억원을 호가하고, 설치에도 꽤 오랜 시간이 걸립니다. 사진제공=ASMLHigh-NA EUV 장비는 대당 5000억 원을 호가합니다. 그리고 덩치가 엄청나게 큽니다. 그런데도 13.5㎚ 파장을 다루는 장비인 만큼 예민하고 까다롭죠. 올 연말에 반입을 시작하더라도, 장비를 어루고 달래면서 완벽하게 설치하기까지는 꽤 많은 시간이 걸립니다. 이 장비에 웨이퍼를 투입할 때가 되면 내년 상반기 정도가 될 것으로 보입니다.
삼성은 하이-NA EUV 장비 설치를 마치면서 본격적인 생태계 구축에 나설 것으로 보입니다. 이 구축 작업에 관한 힌트를 12일 경기 수원시 수원컨벤션센터에서 열렸던 '2024 리소그래피+패터닝 학술대회'에서 얻었습니다.
이 학술대회에서는 삼성전자 반도체연구소에서 포토마스크를 개발하는 민철기 박사의 발표가 있었습니다. 민 박사는 이 발표에서 하이-NA EUV용 마스크 검사장비(APMI)에 대해 언급했습니다.
High-NA EUV를 활용한 APMI 성능. 자료출처=삼성전자 민철기 박사 발표 슬라이드.민 박사는 "하이-NA EUV를 활용해서 반도체 마스크를 검사했더니 명암비가 기존 EUV로 할때보다 30% 이상 개선됐다"고 설명했습니다. 지금부터 이 발언을 찬찬히 뜯어보겠습니다.
마스크와 검사장비부터 아주 간략히 설명드리면요. 마스크는 ASML의 노광기 안에 들어가는 소재입니다. EUV 빛이 웨이퍼에 새길 회로를 머금으려면 마스크를 ‘탕’ 터치하고 지나가야 합니다. 아래 그림을 참고해주세요.
사진제공=ASML, 구글노광장비에 들어가는 마스크는 마스크샵이라는 곳에서 만들어집니다. 빤빤한 블랭크마스크에 웨이퍼 위에 찍어낼 회로를 새기죠. 그런데 EUV용 마스크의 몸값은 꽤 비쌉니다. 포토마스크는 가로세로 6인치(약 15㎝)의 정사각형 모양이지만 가격은 개 당 1억 원을 호가할 정도로 비쌉니다. 이렇게 ‘억'소리 나는 마스크를 중간중간 검사를 해가면서 한번에 제대로 만들어야 생산 비용을 줄일 수 있겠죠. 노광기 안에서도 회로가 잘 새겨져야지만 웨이퍼 불량을 최소화할 수 있고요. 그래서 마스크를 검사하는 장비의 성능은 노광 공정을 통틀어서 봐도 매우 굉장히 중요합니다.
기존 EUV APMI인 액티스 A100과 High-NA EUV용 APMI인 액티스 A300의 성능 비교. 자료출처=삼성전자 민철기 박사 발표 슬라이드.민 박사는 'APMI'라고도 불리는 이 장비를 High-NA EUV용으로 레이저텍과 함께 연구하고 있다고 발표했습니다. APMI(Actinic Patterned Mask Inspection). 한마디로 13.5㎚ 파장의 EUV 광원을 이용해서 마스크를 검사하는 장비입니다. ASML에 약간 가려서 그렇지 레이저텍도 엄청난 EUV 기술을 보유한 장비 회사입니다. 이미 Low-NA EUV용 마스크 검사 장비를 통해 세계적인 기술력을 인정받았고요. ASML만큼이나마 생산 대수가 적어서 삼성전자·TSMC·인텔의 애를 태우는 회사입니다. EUV 광원을 직접 만들면서도 장비를 미세하게 제어하는 기술이 뛰어나다는 거겠죠.
삼성전자는 레이저텍의 High-NA EUV 마스크 검사장비인 '액티스(ACTIS) A300'을 한 대 구입한 것으로 알려집니다. 삼성전자 내에서 ASML의 EXE:5000을 설치완료한 시기인 상반기 이후에 본격적인 반입을 시작할 것으로 보입니다.
그런데 민 박사는 High-NA용 마스크를 소개하면서 레이저텍만 언급하지는 않았습니다. 새로운 유형의 마스크 설계를 위해 자동화설계툴(EDA) 회사와도 협업하고 있다고 밝혔습니다. High-NA EUV에서는 웨이퍼에 회로가 더 선명하게 찍히기 위해 마스크 회로를 직선이 아닌 곡선(Curvilinear)으로 그리는 방법이 검토되고 있는데요. 민 박사는 이 작업을 세계적인 반도체 EDA 툴 회사 시높시스와 협력하고 있다고도 설명했습니다. ASML·레이저텍·시높시스 외에도 말이죠. 삼성은 JSR 등 포토레지스트 회사, 포토레지스트를 웨이퍼 위에 도포하는 트랙 장비 '넘버원' 도쿄일렉트론 등 다양한 회사들과 High-NA 시대를 준비하고 있을 것으로 전망됩니다. 삼성전자는 이러한 생태계 구축 작업으로 2027년 하이-NA 본격 상용화를 준비하고 있습니다.
최근 약 2년 사이 언론과 증권 업계에서는 2.5D 패키징·HBM 이슈가 주목받고 있죠. 2019년 삼성전자가 세계에서 처음으로 도입했던 EUV는 이제 한 단계 더 발전해서 High-NA 시대 진입을 눈 앞에 두고 있습니다. 완성된 D램이나 시스템 반도체를 어떻게 패키징하고 쌓느냐도 중요한 문제지만, 전공정에서 얼마나 더 미세한 회로를 완성도 높게 만드는지 역시 상당히 중요한 근본 이슈입니다. EUV의 발전을 지속적으로 들여다보면 반도체 기술의 퀀텀 점프를 더 빠르고 넓고 가까이서 볼 수 있을 것 같습니다. High-NA 기술에 관한 내용은 앞으로 [강해령의 하이엔드 테크]를 통해 더 자주 다뤄보겠습니다. 무더위 건강 조심하세요! :)
