주석을 태워 빛을 만드는 2억 5천만 달러짜리 칩 인쇄 기계

이 영상은 반도체 회로를 그리는 극자외선(EUV) 리소그래피 장비의 원리를 다룹니다. 주석 방울을 레이저로 플라즈마화해 빛을 얻는 방법, 진공 속 다층 거울로 빛을 조종하는 방법, 웨이퍼 위치를 원자 수준으로 맞추는 방법을 차례로 설명하고, 트랜지스터 발명부터 High-NA 장비까지의 흐름을 함께 정리합니다.

⏱ 00:00진공 상자 안에서 녹은 주석 방울이 시속 약 250km로 날아가고, 레이저 펄스가 이를 태양 표면보다 훨씬 뜨거운 플라즈마로 바꿉니다. 이 플라즈마가 내는 눈에 보이지 않는 극자외선(EUV)이 칩 회로를 인쇄하는 빛입니다.

칩을 더 작게 만들려면 더 짧은 파장의 빛이 필요했고, 기존 빛으로는 한계에 도달했습니다. 이 빛을 만들고, 조종하고, 정확히 겨냥하는 세 가지 문제를 푸는 데 30년이 넘는 시간과 막대한 투자가 들었습니다.

⏱ 01:341947년 벨 연구소에서 만들어진 첫 트랜지스터는 게르마늄 위에 금 접점을 올려 약한 신호를 증폭한 장치였습니다. 현대 칩은 전계효과 트랜지스터를 쓰는데, 게이트 전압으로 전류 흐름을 켜고 끄는 수도꼭지와 비슷한 스위치입니다.

이 켜짐과 꺼짐이 0과 1로 해석되며, 최신 칩에는 2,000억 개가 넘는 스위치가 들어 있습니다. 1958년 잭 킬비는 한 장의 게르마늄에 완전한 회로를 만들어 최초의 칩을 선보였고, 페어차일드의 연구자들은 평면 구조의 트랜지스터와 한 장의 실리콘 위에 회로를 잇는 방법을 개발했습니다.

⏱ 04:00칩 제조사는 실리콘에 감광재(포토레지스트)를 입힌 뒤 마스크라는 판을 통해 빛을 쏘아 패턴을 옮깁니다. 빛이 닿은 부분이 씻겨 나가고, 드러난 실리콘을 가공해 패턴을 아래층으로 전달합니다. 이 과정을 수십 번 반복하면 건물을 한 층씩 쌓듯 회로가 완성되며, 아래층에는 스위치, 위층에는 이를 잇는 배선이 놓입니다.

1965년 고든 무어는 칩의 부품 수가 매년 두 배가 된다고 예측했고, 이후 2년 주기로 수정되어 무어의 법칙으로 불렸습니다. 체스판의 쌀알 전설처럼 두 배씩 늘어나는 성장은 곧 감당하기 어려워지지만, 1971년 인텔의 첫 마이크로프로세서는 약 2,300개의 트랜지스터를 담으며 그 성장이 시작되었습니다.

⏱ 04:55선이 가늘어질수록 빛의 파장이 한계가 됩니다. 굵은 펜으로는 작은 글씨를 쓸 수 없듯이, 파장이 긴 빛으로는 미세한 선을 그릴 수 없습니다.

엔지니어들은 두 가지 방법을 썼습니다. 더 짧은 파장의 빛으로 옮겨 가는 것, 그리고 더 넓은 각도의 빛을 모으는 광학계로 해상도를 높이는 것입니다. 후자의 지표를 개구수(numerical aperture)라고 부르며, 두 방법 모두 한계가 뚜렷해 결국 극자외선으로 넘어가야 했습니다.

⏱ 06:401984년 네덜란드에서 필립스와 파트너사가 세운 ASML이 칩 인쇄 장비를 만들기 시작했습니다. 1986년 일본의 기노시타 히로오가 극자외선으로 찍은 초기 이미지를 발표했지만, 이 빛은 유리와 공기에도 흡수되어 렌즈로 초점을 맞추기 어렵다는 회의론이 컸습니다. 진공 속에서 거울로 빛을 다뤄야 했기 때문입니다.

1997년 ASML은 극자외선 프로그램을 시작했고, 독일 ZEISS와 손잡고 거울을 개발했습니다. 2006년 시제품은 연구실에서 작동했지만 빛이 너무 약해 공장을 돌릴 수 없었습니다. 2012년 이후 인공지능 붐이 더 촘촘한 칩을 요구하면서 인텔, 삼성, TSMC가 연구비를 함께 부담했고, 2013년 ASML은 광원 기업 Cymer를 인수했습니다. 같은 해 첫 양산 장비가 출하되었고, 2017년에는 목표였던 250와트를 달성했습니다. 2019년에는 극자외선 공정으로 만든 칩을 탑재한 첫 스마트폰이 출시되었습니다.

⏱ 11:46첫째, 빛을 만드는 문제입니다. 초당 70m 속도로 떨어지는 주석 방울을 먼저 약한 레이저로 얇은 팬케이크 모양으로 펴고, 강한 펄스로 수십만 도의 플라즈마를 만듭니다. 달궈진 쇠막대가 붉게 빛나듯 이 플라즈마가 극자외선을 방출하며, 표준 장비에서는 이런 섬광이 초당 최대 5만 번 일어납니다.

둘째, 빛을 다루는 문제입니다. 공기가 빛을 흡수하므로 전 과정이 진공에서 진행되고, 렌즈 대신 ZEISS가 만든 얇은 층이 겹겹이 쌓인 다층 거울이 빛을 반사합니다. 각 층에서 반사된 파동이 위상을 맞춰 하나의 강한 빛으로 합쳐지며, 패턴을 담은 마스크 역시 거울 형태입니다. ZEISS는 독일 크기의 거울을 만든다면 가장 큰 결함이 0.1mm에 불과할 것이라고 설명합니다.

셋째, 빛을 정확히 겨냥하는 문제입니다. 웨이퍼는 계속 앞뒤로 움직이며 위치가 초당 약 2만 번 측정되고, 위층의 마스크는 지구 중력의 약 15배에 달하는 가속도로 움직입니다. 매 층은 이미 인쇄된 층과 정확히 정렬되어야 합니다. 장비 한 대는 약 2억 5천만 달러이며 컨테이너 약 40개에 나뉘어 운반됩니다.

⏱ 15:092026년 7월 인텔은 ASML의 High-NA 장비를 일부 층에 적용해 노트북용 프로세서 일부를 대량 생산하기 시작했습니다. 개구수는 0.33에서 0.55로 높아져 더 미세한 패턴을 찍을 수 있습니다. 연구와 양산을 합쳐 100만 장이 넘는 웨이퍼가 이 장비들을 거쳤습니다. 엔비디아 블랙웰은 두 개의 실리콘 조각에 합쳐 2,080억 개의 트랜지스터를 담고 있습니다.

광원 출력은 2017년 250와트에서 현재 약 600와트로 올랐고, 2026년 2월 공개된 시험 광원은 초당 약 10만 개의 주석 방울로 1,000와트에 도달했습니다. 아직 공장에 적용되지는 않았습니다. 2026년 5월에는 ASML이 인도 구자라트 Dholera의 Tata Electronics 공장에 장비와 교육을 공급하기로 합의해, 이 기술 경쟁이 세계로 넓어지고 있음을 보여줍니다.