성장에는 힘이 필요합니다. 흔들리지 않을 힘, 더 높이 뻗어나갈 힘. 들을수록 똑똑해지는 지식뉴스 "교양이를 부탁해"는 최고의 스프 컨트리뷰터들과 함께 성장하는 교양인이 되는 힘을 채워드립니다.

장비 한 대당 5천억..삼성·SK가 20조 쏟아부은 이유

Q. 최근 삼성과 하이닉스가 EUV* 장비를 대량으로 확보했다고 하더라고요. 이게 반도체 공정에서 앞으로 어떤 역할을 하게 될지?

*EUV(극자외선) 노광장비 : 파장이 짧은 빛인 EUV(극자외선)를 활용해 웨이퍼에 회로를 새기는 장비. 반도체 초미세 공정에 필수적.

삼성과 하이닉스 모두 EUV가 필요한 이유는, 삼성은 파운드리도 필요합니다만 메모리에서 이제는 다음 단계, 특히 D램에서 다음 단계로 가야 될 상황이 왔기 때문입니다.

현재 가장 최신 공정은 D1c까지 왔는데 다음 단계가 D1d, 심지어 그다음 단계는 '1'도 빠집니다. '1'까지는 나노미터 단위로 볼 수 있고 D0가 되는데 그때부터는 한 자릿수 나노미터의 피처를 갖는 수준까지도 가야 되는데, 그렇게 하기 위해서는 1세대 EUV 공정 장비만으로는 부족할 수 있고 레졸루션(물리적 해상도) 8나노 정도까지 보장할 수 있는 2세대 EUV 장비가 필요하고, 그것 때문에 삼성과 하이닉스가 큰돈을 들여서 ASML의 EUV 장비를 대량으로 구매했다.

삼성은 20대 정도, 하이닉스는 10대 정도인데 20대, 10대가 뭐가 대량이냐고 생각할 수도 있는데 장비 1대의 가격을 생각하면 어마어마한 투자입니다. 장비 1대가 3.5억 달러 정도 합니다. 지금 환율로 5,200억 원 정도. 20대를 샀다면 10조 넘게 산 거고, 10대를 샀다면 5조 정도 산 거죠.

지금 하이닉스나 삼성이 돈을 많이 벌어들이고 있으니까 큰돈이 아닐 거라고 생각할 수도 있겠습니다만, 이 EUV 장비의 특징은 와서도 돈 잡아먹는 귀신이 된다는 거예요. EUV 장비에 들어가는 수많은 부품들은 다 수명이 있습니다. 그리고 이것을 몇 번 돌리다 보면 수명이 금방 닳기 때문에 계속 갈아야 되는데, 부품을 교체하고 정비하는 것에만 장비 가격의 3분의 1, 4분의 1 정도의 비용이 매년 들어갑니다. 그러니까 장비 한 대 사서 4년 정도 돌리면 장비 하나 더 사는 느낌이 되는 거죠.

그러니까 장비를 4년 동안 열심히 돌려야 그 장비에 들어간 돈의 뽕을 뽑는다고 볼 수 있죠. 그렇게 하지 않으면 이 비싼 장비를 사서 감가상각시킨 게 되기 때문에 최악의 투자가 되는 겁니다. 이렇게 20대, 10대를 샀다는 것은 그다음 단계의 공정으로 진입해서 앞으로도 메모리 시장 내 지배력을 확고하게 하겠다는 양사의 의지가 담겨 있다고 볼 수 있겠고요.

EUV 보유 대수=경쟁력? 진짜 싸움은 도입 이후부터
단일 회사 단위로 2세대 EUV 장비를 가장 많이 가지고 있는 회사는 인텔입니다. 인텔은 이전부터 6대 정도 도입해서 돌리고 있는데, EUV 장비를 많이 가졌다고 더 앞선 공정을 활용하는 반도체를 더 많이 만들 수 있다고 넘겨짚으면 곤란합니다. 나중에 기술이 성숙되면 그렇게 볼 수도 있겠습니다만 EUV 노광기, 특히 2세대 EUV 노광기 같은 경우에는 공정이 굉장히 까다롭습니다.

그래서 도입 초기 1년~2년 정도는 R&D 단계를 지나가야 됩니다. 왜냐하면 ASML이 EUV 장비를 납품하면 완제품을 납품하는 것처럼 보입니다만, 사실은 와서부터가 문제입니다. 삼성이나 하이닉스의 팹 라인에 설치돼야 하는데 무슨 볼트 넣듯 조이는 설치가 아니고요. 삼성이나 하이닉스의 기존 반도체 라인과 딱 맞게 설치해야 되는데, 설치하는 것만 몇 개월 정도 걸리고요.

설치 후 설계한 스펙대로 칩이 나오는지를 테스트하는 것도 몇 개월 정도, 그리고 양산으로 넘어갔을 때 테스트 단계에서 보이지 않았던 것이 보이는지 보는데 몇 개월 정도, 그래서 최소 1.5년~2년 얘기를 하는 거죠.

그런데 이러한 단계를 하기 위해서는 아이러니하게도 그 이전 세대의 장비 데이터가 중요합니다. 예를 들어서 2세대 EUV를 도입한다면 2세대 이전에 1세대 장비에서 있었던 시행착오 데이터가 중요한 거죠. 이 시행착오 데이터를 잘 활용하면 예를 들어서 3년 걸릴 초기 안정화를 1.5년, 1년 이내로 줄일 수 있는 거고, 이걸 제대로 활용 못하면 2세대 장비는 공정 난도가 더 높아진 상황에서 양산으로 진입하는 기간이 예상보다 더 늘어날 수 있는 거죠.

우리나라의 메모리 양사는 이 EUV를 전 세계 메모리 메이커 중에서는 제일 많이 가지고 있을 거라고 생각되고요. 마이크론은 아직 2세대 EUV를 도입을 안 한 걸로 알고 있고 도입하더라도 많이는 도입을 못할 거로 보고 있어서, 마이크론은 D1c까지는 어떻게든 잇몸으로 버틸 수는 있겠지만 그다음에 어떻게 해야 할지는 고민이 많을 겁니다.

그래서 D램의 그다음 공정 단계를 전환시키는 데 하이닉스는 주력할 거고요. 삼성은 파운드리와 메모리가 각각 EUV를 사용하는 방향이 좀 다릅니다. 몇 대 몇으로 EUV가 배분될지는 기업 기밀이기 때문에 알려지기는 어려울 건데, 두 사업 부분에서 적절히 이 공정의 데이터를 공유하면서 양산으로의 진입을 최대한 가속화할 것이라고 볼 수 있겠죠.

중국 반도체 굴기, EUV 앞에서 막혔다?
Q. EUV를 많이 가졌다고 경쟁력은 아니라고 하셨지만, 중국 회사들 처럼 없는 입장의 회사들은 신규 진입하기 어렵겠다는 생각이 들어요.

네. 맞아요. 그래서 중국이 지금 가장 갖고 싶어 하면서도 가장 고통스러워하는 기술이 바로 이 극자외선 노광 기술입니다. 그것 때문에 중국의 파운드리나 메모리가 더 빨리 진행할 수 있는 진도가 많이 늦춰진 상황이죠.

Q. 단순히 '중국이 우리 쫓아오겠지' 이런 게 아니고 현실적인 갭이 느껴집니다.

네. 거의 진도가 못 나가고 있다고 볼 수도 있는 상황인데, 사실 중국에서 EUV 리소그래피*를 자체적으로 개발하려는 노력은 오래전부터 있었어요.

*리소그래피(Lithography·노광) : 반도체 회로를 실리콘 웨이퍼 위에 빛으로 새겨 넣는 공정

두 가지 정도의 기술력이 있는 것 같은데, 첫 번째가 지금 ASML이 이용하고 있는 LPP(Laser Produced Plasma)라는 개념이 있습니다.

EUV는 파장으로 따진다면 13.5나노, 13.8나노 정도의 지극히 짧은 자외선입니다. 파장을 짧게 만들면 그만큼 더 미세한 칩을 만들 수 있기 때문인데, 문제는 13.5나노미터 정도의 극자외선을 안정적으로 만들어낼 수 있는 자연스러운 광원은 없다는 겁니다. 그래서 인공적으로 만들어야 하는데, ASML이 20~30년간 고생해서 얻은 공학적인 결정체가 바로 이 EUV를 만들어낼 수 있는 광원이고요.

이거는 ASML 혼자만의 기술은 아니고 ASML이 협력해 왔거나 인수한 자회사들의 기술력이라고도 볼 수 있습니다. 예를 들어서 이 광원 기술은, 엑사이머 레이저 들어보셨을 거예요, 미국의 사이머라는 회사에 원류를 두고 있고요.

실질적으로 거기서 바로 레이저를 만드는 것은 아니고, 직경이 50마이크로나 40마이크로 정도밖에 안 되는 미세한 주삿바늘을 통해서 액체 상태의 주석 방울이 분당 5만 개, 10만 개 정도로 빠르게 흘러나옵니다. 그 미세한 주석 방울에 트라이엄프(독일의 레이저 회사)에서 고출력 CO2 레이저를 분사시켜서, 동그란 형태의 주석 방울을 납작한 빈대떡처럼 만듭니다.

이런 빈대떡처럼 만든 주석 방울에 순간적으로 다시 한번 2차 집속 레이저로 쏴서 순간 기화를 시키면 들뜬 주석 이온들이 불안정한 상태에서 다시 안정한 상태로 떨어지면서 빛을 방출하는데, 그 빛이 극자외선입니다.

ASML이나 엑사이머나 트라이엄프는 다른 여러 대안을 써보다가 안 되고 안 되고 안 돼서 여기까지 온 겁니다. 이 과정에 20년 정도가 걸렸고 양산 단계까지 가는 데도 10년 정도 걸렸으니까, 30년 넘게 이 기술을 개발한 겁니다.

중국은 이 LPP를 쓸 수 없어요. 여기는 지금 완전히 점유하고 있고 특허 장벽도 많고, LPP를 할 수 있는 기업은 ASML, ASML이 인수한 사이머, ASML의 협력업체인 트라이엄프, 광학계 전문 칼자이스. 이런 회사들이 사실상 ASML의 생태계 안에 독과점 구도를 이루고 있기 때문에, 이 기업들은 ASML과만 일을 하고 다른 회사와 거의 일을 안 합니다.

중국 회사들이 어떻게든 협력을 하려고 하지만 미국 정부가 제재하고 있기 때문에 엔지니어들이 중국에 가는 것도 어렵고 중국의 엔지니어들이 배우러 오는 것도 어렵고. 그래서 중국에서는 이걸 쓸 수 없으니 옛날에 ASML이 하다가 포기했던 방식들을 쓰기 시작해요.

그중에 하나가 LDP(Laser-induced Discharge Plasma)라는 방식이 있습니다. 주석을 굉장히 뜨겁게 가열해서 들뜬 상태로 만드는 건 똑같은데, ASML의 방법이 50kW 수준의 집속 레이저를 이 미세한 주석 방울에 정확하게 맞춰서 쏘는 방식이라면, LDP는 빠르게 회전하는 전극에 주석을 코팅한 후 마찰시켜서 뜨겁게 만들고 다시 한번 레이저를 쏴서 들뜨게 만들어서 거기서 나오는 빛을 이용하는 겁니다. 이 LDP도 똑같이 극자외선을 만들 수 있어요.

문제는 ASML이나 트라이엄프나 사이머는 이 방법을 20년 전에 하다가 포기했다는 거예요. 전극이 생각보다 빨리 마모되고 여기서 나오는 빛의 품질이 일정하지 않고 에너지 효율이 별로 높지 않다는 거였는데, 중국은 LDP를 하면서 이 문제를 조금씩 해결하고 있는 것처럼 보입니다. 에너지 효율도 높였고 전극의 수명도 늘렸고.

그럼에도 불구하고 지금 ASML에서 쓰고 있는 LPP에 비하면 여전히 양산에 적용하기는 어렵다고 생각합니다. EUV가 양산에 적용되려면 광학 특성도 중요합니다만 더 중요한 것은 한 시간당 EUV가 몇 장의 웨이퍼를 만들 수 있느냐입니다. 그런데 LDP 방식으로는 ASML 장비로 삼성이나 하이닉스가 월 5만 장 만들고 있을 때 중국에서는 500장밖에 못 만들 거라는 거죠. 그러면 장비가 감가상각되기 전에 장비에 들어간 돈을 회수하기가 어려워지죠. 그래서 적어도 100장 정도의 역치가 있다고 본다면 이렇게 하기 위해서는 LDP 방식은 한계가 명확하다는 거고요.

LDP 말고 다른 거 있느냐. 전자빔 가속기를 이용한 방식이 있습니다. 포항 방사광 가속기와 비슷하다고 생각하시면 됩니다. 전자를 빛의 속도로 가속한 다음에 전자 다발로 만들고, 이 전자 다발을 터널(전자석 통로)을 통해서 한 방향으로 뽑아냅니다. 질서정연한 전자들의 군단이 빛의 속도로 달려오고 있는 거예요. 이 속도로 달려오고 있는 전자들을 전자석 터널에 통과시키면 속도가 감소돼요. 극자외선 정도의 에너지를 가질 때까지만 감속을 시킵니다. 그래서 그 빛을 원하는 영역에 쏘는 거죠. 이러한 방식을 싱크로트론* 방식이라고 합니다.

*싱크로트론 : 전자 같은 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속해서, 매우 강한 빛(X선 등)을 만들어내는 장치

이렇게 하면 고품질의 빛을 얻을 수 있지만, 문제는 너무나 덩치가 크다는 거예요. 싱크로트론은 아무리 작게 잡아도 조 단위가 넘어갑니다. 1조 5천억, 2조 정도 되는데, 예전에는 돈 생각만 하면 바보 같은 짓이라고 했지만 최근 2세대 EUV 장비가 5천억이 넘어가니까 그래 봐야 두세 대 정도 값이니 해볼 만하다고 하기도 하죠.

관건은 싱크로트론은 너무 크기 때문에, 최소 장충체육관만 한데 한 대만 설치할 수는 없고 몇 대가 설치된다면 반도체 팹보다 싱크로트론이 차지하는 면적이 더 커질 수도 있다.

그런데 중국은 뭐 그런 건 문제가 안 된다, 될 때까지 해보겠다고 해서 그쪽도 활발하게 연구하고 있고. 그래서 저는 두려운 것 중의 하나가, 중국이 저렇게 싱크로트론에 쏟아붓는 인력이나 재원의 규모가 세계 최고 수준이거든요. 그래서 앞으로 가속기 관련된 연구는 중국이 주도하게 될 것이고, EUV 리소그래피 대체용 장비뿐 아니라 싱크로트론으로 할 수 있는 그다음 세대의 반도체 난제들이 많은데, 거기에서는 중국이 먼저 깃발을 꽂을 가능성이 있다. 그런 것들이 오히려 지금 이 EUV 이슈에 가려져 있는, 진짜 들여다봐야 되는 지점이기도 하죠.

EUV도 곧 한계 봉착..중국, 그 빈자리 노린다
Q. 그러니까 지금 저희가 반도체 호황이라고 좋아할 게 아니고 10년, 20년 반도체 산업의 패권을 바라본다면 위험할 것이라는 게 맞나요?

EUV가 앞으로 천년만년 쓸 것 같지만 EUV도 명확한 한계는 있습니다. 1세대 EUV가 2017년에 처음 양산에 도입됐거든요. 2세대 EUV는 삼성이나 하이닉스, 인텔은 아마 빠르면 올해부터, 이미 작년에 도입한 경우도 있습니다만 올해부터 양산에 들어가기 시작할 거니까 9년~10년 정도의 간격이 있죠.

그래서 3세대 EUV도 앞으로 9년~10년 정도 후에 나오지 않겠느냐. 그러면 2030년대 중반쯤 나올 것이다, ASML이 그런 식으로 추정한 로드맵을 만들었어요.

2세대까지는 기술도 있고 어느 정도 가능하다는 게 알려져 있고 많은 고객사들이 주문해서 실제로 쓰고 있는데, 3세대는 광원에 대해서 정보는 있지만 주변의 생태계가 거의 없습니다. 9년 안에 이 생태계가 만들어질 것인지 아무도 예측을 못 하고, 설사 만들어진다고 하더라도 3세대는 1세대, 2세대에 비해서 훨씬 어렵습니다.

1세대, 2세대, 3세대를 구분하는 핵심 변수는 NA값(Numerical Aperture)인데, 광학 이론에 따르면 물리적 해상도는 작게 만들고 싶으면 파장을 짧게 가거나 NA값을 크게 만들어야 됩니다. NA값이 분모에 위치하니까.

그래서 NA값을 높이면 좋긴 한데, 문제는 NA값을 높이면 대가가 따른다는 겁니다. 뎁스가 그만큼 얕아져요. 뎁스가 얕아진다는 것은 빛이 모여서 화학 반응을 일으킬 수 있는 깊이가 제한된다는 거라서, 그것을 받아들일 수 있는 소재의 두께도 그만큼 얇아져야 해요. 근데 이렇게 얇아지면 공정에 에러가 많이 생기기 시작하죠. 두꺼웠을 때는 정밀하게 박막을 통제할 필요는 없었는데, 너무 얇아지면 공정이 그만큼 어려워지기 때문인데. 말씀드리고 싶은 핵심 메시지는, 3세대까지 어찌어찌 간다고 하더라도 그다음에는 정말 답이 없다는 겁니다.

빠르면 2035년, 늦어도 2039년 정도에는 3세대까지 가겠죠. 그걸 가지고 10년 정도는 쓸 수 있겠죠. 그러면 2040년대 중반~후반까지는 어떻게든 이 EUV를 가지고 쓸 수 있을 겁니다. 그런데 보통 이런 우려들은 그렇게 충분히 써먹기 전에 한 10년 전부터 나옵니다. 지금 다들 3세대 걱정하고 있잖아요, 벌써. 3세대까지 가면 그다음 세대 걱정하게 될 텐데, 그다음 세대는 기술적으로 명확한 대안이 하나도 없어요. '그러면 더 짧은 파장을 쓰면 되는 거 아닙니까? 13.5를 굳이 쓰지 말고 훨씬 더 짧은 파장인 6.5나노나 3나노 쓰면 되지 않습니까?' 이론적으로는 가능하죠. 근데 그거를 하기 위한 광원이 지금 명확하게 뭐가 돼야 된다라는 것은 없어요.

그리고 20년, 30년간 EUV 개발사 ASML이 얼마나 고생했는지를 생각해 보면, 2040년대쯤에 그게 나온다면 2010년대부터 EUV 다음 세대의 광원에 대한 연구가 시작됐어야 되는데, 시작은 됐습니다만 마일스톤상 아직 명확한 것들은 안 나왔어요. 후보는 있어요. 뭐 가돌리늄을 써야 된다, 루테늄을 써야 된다, 란탄 계열을 써야 된다, 여러 기술들에 대한 논의들이 있습니다만.

인류는 늘 솔루션을 찾아왔으니까 2030년대 중반쯤 되면 또 재미있는 게 나올 거라고 생각합니다만 지금으로서는 잘 답이 보이지 않고. 중국이 그런 기초 과학 쪽에 많이 투자하고 있어서 중국에서 그러한 혁신이 될 만한 맹아, 격변이 될 수 있는 기술을 먼저 발견할 가능성이 높지 않겠느냐가 우려되는 거죠.

Q. 지금 중국을 제외하고는 극자외선 쪽에는 ASML한테 다 의존하고 있는 거죠?

일본에서 그나마 캐논이 연구하고 있는 걸로 알고 있습니다. 근데 캐논 혼자만의 생태계로는 불가능하고요. 다만 캐논에서는 그전 세대의 장비인 DUV* 쪽은 좀 했었으니까 리소그래피에 대한 이해도는 굉장히 높은 상황이고, 다만 이런 광학계 핵심 기술들을 충분히 확보를 못 하고 있는 상황이어서, EU(네덜란드·독일), 미국, 영국이 지배하고 있는 여기에 일본의 광화학 업체까지 들어가면 이 4개의 국가가 점유하고 있는 철옹성에 지금 도전할 수 있는 나라는 중국 외에는 단 한 나라도 없다고 단언할 수 있습니다.

*DUV(심자외선 노광장비) : 190~365나노미터 범위의 파장을 가진 빛을 사용해 반도체 웨이퍼에 미세한 회로 패턴을 그리는 장비. (EUV는 13.5나노미터 파장)

Q. 우리나라도 일단 그 영역은 들어가지도 못하는 거죠?

기술 생태계 자체는 지금 저희가 무슨 광학계를 납품한다, 무슨 펠리클*을 납품한다 이런 케이스는 없는데, 조금씩 국내외 소부장 회사들이 EUV의 생태계 그리고 EUV 시장이 커진다는 것은 잘 알고 있기 때문에 기술 개발을 하고 있습니다. 다만 ASML에 직접 납품할 정도의 공급망은 우리나라에서는 아직 없다고 보입니다.

*펠리클 : EUV 노광 공정에서 포토마스크(집적회로 패턴을 실리콘 웨이퍼에 전달하는 핵심 부품)를 오염으로부터 보호하는 소모성 부품

<교양이를 부탁해> 유튜브 채널을 구독하시면 더 많은 콘텐츠를 보실 수 있습니다.

최신 콘텐츠

"다음 세대는 정말 답이 없습니다" 삼성·SK가 싹쓸이한 EUV의 진짜 유통기한..반도체 10년 뒤가 소름 돋는 이유