ASML의 하이-NA EUV 장비. /사진제공=ASML
2025.03.28 15:45
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인공지능(AI)의 미래가 네덜란드의 조용한 도시 아인트호벤에 달려 있으리라 기대하는 사람은 거의 없을 것이다. 그러나 아인트호벤 시 경계 바로 너머에는 최첨단 AI 칩을 생산하는 데 필요한 노광 장비를 만드는 유일한 회사인 ASML의 본사가 있다. ASML의 최신 장비는 150톤의 거대한 기계로, 크기는 해상 컨테이너 두 개 정도이며 가격은 약 3억5000만 달러(5100억 원)이다. 이는 시판 중인 동종 장비 중 최첨단이기도 하다.
ASML은 그 전문성으로 인해 글로벌 기술 전쟁의 한복판에 놓였다. 중국이 뛰어난 AI 칩을 제작하는 것을 막기 위해 미국은 ASML이 중국 칩 제조업체에 최첨단 장비를 판매하는 걸 금지했다. 이에 대응하여 중국은 자국산 대안 장비를 개발하는 데 수십억 달러를 쏟아붓고 있다. 한편 경쟁사인 일본의 캐논은 ASML의 지배력을 약화시키기 위해 더 단순하고 저렴한 기술에 베팅하고 있다. 그러나 몇 개월 만에 업계 리더십이 바뀔 수 있는 소프트웨어 업계와 달리, 노광 장비의 성공은 그 판정에 수십 년이 걸리는 느린 경주이다. ASML을 따라잡는 건 쉽지 않을 것이다. 컴퓨팅, AI 및 기술 자체의 미래를 만들 기계의 통제권이 이 경쟁에 걸려 있다.
ASML의 최첨단 장비가 가동하는 방식은 상상을 초월한다. 이 장비는 녹은 주석 방울 5만 개를 진공 챔버에 발사한다. 각각의 주석 방울은 먼저 약한 레이저 펄스를 맞고 작은 팬케이크 모양으로 납작해진다. 그 다음에는 이를 증발시키는 강력한 레이저를 맞는다. 이 과정을 거치면서 주석 방울은 태양 표면보다 약 40배 뜨거운 섭씨 22만도의 플라즈마로 변하며 매우 짧은 파장의 빛인 극자외선(EUV)을 방출한다. 이 극자외선은 비균질도가 수조 분의 1미터로 측정될 정도의 극도로 매끄러운 거울에 반사된다. 거울은 반도체 칩의 회로 청사진이 담긴 마스크나 템플릿에 빛을 집중시킨다. 마지막으로 광선은 마스크에서 빛에 민감한 화학물질로 코팅된 실리콘 웨이퍼로 튀어, 칩에 디자인을 새긴다.
고위험
ASML의 장비는 현대 칩 제조에 없어서는 안 될 필수품이다. TSMC, 삼성, 인텔과 같은 기업들은 AI 가속기부터 스마트폰 칩까지 최첨단 프로세서의 생산을 ASML 장비에 의존한다. 다른 어떤 회사도 "7나노미터"(나노미터는 미터의 10억분의1. 이러한 용어는 한때 물리적 해상도와 관련이 있었지만 현재는 주로 마케팅 목적으로 사용된다) 및 그보다 작은 칩을 안정적으로 인쇄할 수 있는 기계를 만들지 못한다. 더 성숙된 기술("14nm" 이상)에서도 ASML 장비는 시장의 90% 이상을 차지한다.
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마이크로칩이란 트랜지스터로 이루어진 베이스 위에 데이터와 전력을 나르는 구리 배선이 덮인 라자냐라 할 수 있다. 최첨단 프로세서는 1000억 개 이상의 트랜지스터를 포함하고 70개 이상의 층(레이어)에 100킬로미터 이상의 배선을 갖고 있다. 이 모든 게 표준 우표 크기의 약 1.5배 정도 되는 실리콘 조각 위에 깔려 있다. 이러한 미세한 특징들을 만들기 위해, 노광 장비는 웨이퍼에 트랜지스터와 금속 와이어의 패턴을 층별로 식각하는 단계적 작업을 수행한다. 웨이퍼 하나에 칩은 수백 개가 들어갈 수 있다.
ASML의 장비는 복잡하지만 그 기본 원리는 오래된 슬라이드 프로젝터와 매우 유사하다. 빛이 스텐실을 통과하여 표면에 이미지를 투사한다. 노광 장비가 얼마나 미세하게 인쇄할 수 있느냐는 주로 두 가지 요소에 달려 있다. 첫 번째는 빛의 파장이다. 더 가는 붓이 더 세밀한 붓질을 가능하게 하는 것처럼 더 짧은 파장은 더 작은 패턴을 가능하게 한다. ASML의 구형 장비는 248nm에서 193nm 사이의 파장을 가진 심자외선(DUV) 빛을 사용하여 38nm의 칩을 인쇄했다.
보다 미세한 칩 인쇄를 위해 ASML은 13.5nm의 파장을 가진 극자외선(EUV)으로 전환했다. EUV는 태양 코로나에 의해 우주에서 자연적으로 방출되지만 지구에서 이를 생산하는 것은 훨씬 더 까다롭다. EUV는 공기, 유리 및 대부분의 물질에 의해 완전히 흡수되기 때문에 이 과정은 진공 상태에서 수행되어야 하며 빛을 반사하고 가이드하기 위해 특수 거울을 사용한다. ASML은 포착하기 어려운 EUV 빔을 생성하고 발생시키기 위해 용융 주석 방울에 레이저를 발사하는 방법을 완성하는 데 20년을 보냈다.
얼마나 더 미세한 칩 인쇄가 가능한지를 결정하는 다른 요인은 거울의 개구수開口數(NA: numerical aperture)로, 얼마나 많은 빛을 수집하고 집중시킬 수 있는지를 측정하는 척도이다. '하이high-NA EUV'라고 불리는 ASML의 최신 시스템은 0.55의 개구를 가진 거울을 사용하여 8nm 짜리 칩 인쇄를 가능케 한다. 더 미세한 칩 제조를 위해 ASML은 기존 EUV를 계속 사용하면서 개구를 0.75 이상으로 높이는 '하이퍼-NA'를 연구 중이다. 더 높은 NA는 거울이 더 넓은 범위의 각도에서 들어오는 빛을 수집하고 집중시켜 정밀도를 향상시킴을 의미한다. 여기에는 대가가 따른다. 더 큰 NA는 확장된 빛 경로를 차단하고 방향을 지시하기 위해 더 큰 거울을 필요로 한다. ASML이 자사 장비의 NA를 0.33에서 0.55로 증가시켰을 때, 거울의 크기는 두 배가 되고 무게는 열 배가 되어 현재 수백 킬로그램에 이른다. NA를 더 증가시키면 부피가 더 커져 소비전력에 대한 우려가 생긴다.
또 다른 장애물은 가격이다. ASML은 정확한 수치를 공개하지 않지만 가장 최근에 발매된 EUV 기계는 이전 모델보다 거의 두 배 가량 비쌌다. 하이퍼-NA 시스템은 더욱 비쌀 것이다. ASML은 이 시스템이 생산된다는 보장이 없다고 경고하지만 ASML의 기술 책임자인 조스 벤스콥은 수요에 따라 하이퍼-NA 머신이 향후 5년에서 10년 내에 등장할 수 있다고 본다.
일부 연구자들은 이미 EUV를 넘어 약 6nm의 파장을 목표로 계획하고 있다. 광원, 광학 및 포토레지스트(웨이퍼의 빛에 민감한 코팅)의 획기적인 발전이 필요할 것이다. 더 짧은 파장은 또한 패턴을 흐리게 하는 무작위 입자 움직임인 "샷 노이즈"와 같은 새로운 문제를 가져온다. 그러나 스위스의 연구 기관 폴셰러연구소의 야신 에킨치는 이 접근법을 하이퍼-NA가 성과를 내지 못할 경우를 대비한 '플랜B'로 본다.
ASML이 노광 기술의 한계에 도전하는 동안, 최첨단 칩 제조 장비를 차단당한 중국은 여전히 수입할 수 있는 구형 ASML 장비(28nm 이상의 칩 인쇄 가능)에서 더 많은 것을 뽑아내려고 노력하고 있다. 한 가지 접근법은 멀티패터닝multi-patterning으로, 패턴을 여러 식각etching 단계로 나누어 기계가 두 배 또는 네 배 작게 인쇄할 수 있게 한다. 멀티패터닝은 효과적이지만 복잡성을 더하고 생산을 늦춘다.
중국은 또한 자체적으로 노광 장비를 개발하려고 노력하고 있다. 국영 기업인 SMEE는 DUV를 이용하여 28nm 칩을 생산할 수 있는 장비에 진전을 보이고 있다고 전해진다. 그러나 EUV 시스템을 개발하는 것은 완전히 다른 도전이다. 리서치펌 세미애널리시스의 제프 코치는 중국은 EUV 자체를 마스터하는 것 뿐만 아니라 전문 공급업체 5000개 이상으로 이루어진 ASML 수준의 방대한 공급망도 구현해야 한다고 지적한다.
따라서 고급 노광 기술에서 ASML의 지배력은 흔들리지 않을 것으로 보인다. 그러나 한때 업계의 선두주자였던 캐논은 대안에 베팅하고 있다. 나노임프린트 리소그래피(NIL)는 인쇄기와 같이 회로 패턴을 웨이퍼에 직접 찍어낸다. 이론적으로 NIL은 나노미터급 정확도로 인쇄가 가능해 ASML의 EUV 장비 대비 저비용, 소형의 경쟁자가 될 수 있다.
NIL 과정은 전자 빔에 의해 회로의 템플릿이 식각된 마스터 마스크의 생성으로 시작된다. 그 다음, 마스크가 회로 패턴을 웨이퍼에 누르기 전에 액체 수지 방울이 웨이퍼에 도포된다. 자외선을 사용하여 수지를 굳히고 회로 패턴을 형성한 후 마스크를 제거한다. 이 단계는 칩의 모든 레이어마다 반복된다. 캐논은 자사의 접근법이 ASML의 비슷한 장비보다 약 40% 저렴하다고 추정한다.
NIL이 주류 칩 제조 기술이 되기 위해서는 여러 과제를 극복해야 한다. 수율은 큰 우려 사항이다. 몰드에 붙은 작은 입자나 불완전함이 전체 웨이퍼에 걸쳐 반복되는 결함을 만들 수 있다. 정렬은 또 다른 장애물이다. 칩은 층으로 구축되기 때문에 모든 층의 회로 패턴이 정확하게 정렬되어야 한다. 웨이퍼 평탄도의 변화나 몰드와 웨이퍼 사이의 약간의 정렬 오류도 나노급 오류를 일으켜 전기 연결을 방해할 수 있다. 캐논은 자사 시스템이 나노미터급 정밀도를 달성한다고 주장하지만 생산 중에 이를 일관되게 유지하는 것은 어렵다. 그리고 처리량, 즉 기계가 시간당 처리할 수 있는 웨이퍼 수가 있다. ASML의 하이-NA EUV 장비는 시간당 180개 이상의 웨이퍼를 처리할 수 있으며 일부 구형 모델은 그 거의 두 배에 달한다. 반면 캐논의 최신 NIL 시스템은 시간당 웨이퍼 110개만 처리할 수 있어 적어도 현재로서는 칩 대량생산에 덜 적합하다.
지금까지 NIL은 반도체 제조 외부, 특히 스마트폰 디스플레이 및 기타 고정밀 부품 제작에서 더 많은 성공을 거두었다. 이 기술은 이제 로직 칩보다 높은 결함률이 더 허용되는 메모리 칩 생산에 진입하고 있다. 캐논 광학 부문의 책임자인 이와모토 카즈노리는 NIL이 EUV 리소그래피와 공존할 수 있다고 본다. 보다 미세한 공정을 건드리지 않으면서 제조 단계를 최대한 저렴하게 수행할 수 있다는 것이다.
이러한 혁신은 기업들이 새로운 세대의 AI 모델을 구동할 수 있는 더 빠르고 에너지 효율적인 칩을 설계하는 데 도움이 될 수 있다. ASML이 조심하지 않는다면 세계에서 가장 중요한 기계라는 타이틀을 영원히 유지하지 못할 수도 있다.
글로벌 기술 패권 경쟁이 심화되는 가운데, 네덜란드의 ASML이 생산하는 극자외선(EUV) 노광 장비는 삼성전자와 SK하이닉스 같은 한국 반도체 기업들의 생존과 직결된 핵심 자산입니다. 5100억 원에 달하는 이 거대 장비 한 대가 생산 가능 여부를 결정짓는 첨단 반도체는 단순한 부품을 넘어 한국 수출의 중추이자 AI 시대 국가 경쟁력의 바로미터입니다. 미국의 대중국 수출 통제로 인한 ASML 장비 공급 제한, 중국의 자체 기술 개발 시도, 일본 캐논의 대체 기술 도전은 한국 반도체 산업의 공급망 안정성과 기술 경쟁력에 직접적 영향을 미칩니다. 여기 소개하는 이코노미스트의 3월 12일자 기사는 단순한 해외 기술 동향이 아닌, 한국 경제의 미래가 걸린 글로벌 반도체 전쟁의 최전선을 들여다봅니다.