최신 노광장비 도입 박차

한 단계 진화한 ‘고개구율 EUV’
2028년부터 D램 생산 공정 적용

빛 나오는 면적 2배 가까이 확대
공정속도 획기적 단축 가능해져

12인치 포토마스크도 함께 도입
中 추격 따돌리고 경쟁사 차별화

삼성전자가 네덜란드의 세계적인 노광장비 전문 업체 ASML과 차세대 반도체 제조 협력을 확대한다. 메모리 반도체 ‘초격차’ 역량을 강화하기 위해서다. 노광장비는 반도체 원료인 웨이퍼에 전기회로를 새기는 기기로, 반도체 성능과 수율(정상품 비율)을 결정짓는 핵심장비다. 삼성전자는 현재 주력으로 쓰는 극자외선노광장비(EUV)보다 한 단계 진화한 ‘고개구율(High-NA) EUV’ 장비를 세계 최초로 도입할 계획이다. 2028년부터 고개구율 EUV 장비를 활용해 D램을 양산하는 것이 삼성전자와 ASML의 목표다.

삼성전자는 ASML과 12인치 포토마스크 개발에 나서는 동시에 2028년부터 ASML의 고개구율 EUV를 D램 생산 공정에 적용할 계획이라고 8일 밝혔다.

이재용 삼성전자 부회장(앞줄 오른쪽)이 2021년 1월 경기 평택사업장을 방문해 극자외선노광장비(EUV) 전용라인을 점검하고 있다. 2020년 EUV를 가장 먼저 도입한 삼성전자는 2028년 더 진화한 장비인 고개구율 EUV를 업계 최초로 적용할 계획이다. 삼성전자 제공

고개구율 EUV는 빛이 나오는 면적인 ‘개구율’을 기존 EUV 대비 2배 가까이 키운 제품이다. EUV는 웨이퍼에 빛을 쏴 전기회로를 새긴다. 이때 한 번에 출력하는 빛의 크기를 키우면 한 번에 많은 전기회로를 새길 수 있다. 고개구율 EUV는 개구율(NA) 수치가 0.55로 기존 EUV(0.33)보다 크다. 덕분에 한 번에 그릴 수 있는 회로의 선폭을 13나노미터(㎚)에서 8㎚ 수준까지 높일 수 있다. 사진을 찍을 때 카메라 조리개를 더 열고 많은 빛을 받아들여 선명한 사진을 찍는 것과 같은 원리다.

고개구율 EUV의 최고 강점은 ‘공정속도 단축’이다. 반도체 전기회로는 한 번에 바로 그어지지 않고, 여러 번 빛을 쏴 새기는 ‘멀티 패터닝’ 공정을 거친다. 예를 들어 2㎚ 크기의 선폭을 새기기 위해선 EUV 장비로 빛을 쏘는 공정을 4번 거쳐야 회로가 새겨진다. 고개구율 EUV는 한 번에 쏠 수 있는 빛의 양이 많은 덕분에 공정 수가 기존 대비 획기적으로 줄어든다. 이론상으로 현재 장비의 절반 수준으로 공정수를 줄일 수 있다. 삼성전자 관계자는 “현재 메모리 반도체 공급이 부족한 이유 중 하나가 노광 공정에서 생기는 병목현상”이라며 “고개구율 EUV를 적용하면 노광 공정에 걸리는 시간을 단축시켜 생산 속도가 크게 증가할 것”이라고 말했다.

삼성전자는 고개구율 EUV와 함께 12인치 포토마스크도 함께 도입한다. 포토마스크는 반도체 회로 설계도를 웨이퍼에 옮겨 새길 때 쓰는 일종의 ‘판’이다. 포토마스크에 설계도를 올리고 설계도에 따라 빛을 쏴서 회로를 새긴다. 현재는 삼성전자를 포함한 대부분의 반도체 업체가 6인치 포토마스크를 사용한다. 지금은 문제가 없지만 고개구율 EUV를 도입하면 6인치 포토마스크는 한계가 명확해진다. 판의 크기가 작아 고개구율 EUV가 쏘는 빛을 그대로 웨이퍼에 전달하지 못하기 때문이다. 사실상 고개구율 EUV의 효과를 없애는 셈이다. 고개구율 EUV 효과를 키우려면 포토마스크 역시 기존 대비 2배 커진 12인치 포토마스크를 사용해야 한다.

삼성전자가 ASML과 손잡고 최신 장비를 서둘러 도입하는 배경에는 차별화와 초격차 전략이 있다. 파운드리(위탁생산) 공정에선 경쟁사보다 앞서 최신 장비를 도입해 차별화를 꾀하고, 메모리 반도체 분야에선 EUV 이전 장비인 심자외선노광장비(DUV)로 반도체를 만드는 중국 업체와의 격차를 확고히 벌리겠다는 것이다. 고개구율 EUV와 12인치 포토마스크를 도입하면 같은 면적의 팹(공장)에서 더 많은 반도체를 더 빠르게 만들 수 있다.

앞서 삼성전자는 DUV가 주력이던 2020년, EUV를 가장 먼저 적용해 다른 기업과의 격차를 벌린 경험이 있다. 삼성전자 측은 “차세대 D램 제조 기술의 안정성과 생산 경쟁력을 선제적으로 확보하는 것이 최신 반도체 장비를 빠르게 도입하는 이유”라고 밝혔다.

반진욱 기자 [e-mail]