나우라 세계 5위, EUV 없이 선을 네 번? 쿼드러플 패터닝의 정체

중국이 EUV 없이 미세 선을 긋는 방법을 다룬다. 빛으로 한 번 그은 선을 벽으로 쪼개는 자기 정렬 쿼드러플 패터닝이 핵심이며, 공정 단계가 늘어나는 대가와 그 수요가 나우라 같은 장비사의 성장으로 이어졌다는 흐름을 정리한다.

⏱ 00:03중국 장비 회사 나우라가 지난해 매출 세계 5위에 올랐다는 니케이 조사 소식으로 영상이 시작된다. 첨단 칩 선은 EUV로만 그을 수 있으니 EUV를 막으면 중국의 첨단 칩 생산도 막힐 것이라는 통념이 있었다.

그러나 중국산 DUV 장비로 만든 7나노급, 5나노에 가까운 칩이 화웨이 제품에서 확인되었다. 그 비결로 꼽히는 것이 선을 여러 번 긋는 멀티 패터닝이다.

⏱ 01:08회로 무늬를 새긴 마스크에 빛을 비추면 그 그림자가 웨이퍼의 감광막에 맺히고, 빛을 받은 부분을 녹여내면 무늬가 남는다. 이 과정을 노광이라고 하며, 남은 무늬대로 아래층을 깎아 회로를 만든다.

노광으로 그릴 수 있는 선의 굵기는 빛의 파장이 결정한다. 파장이 짧을수록 가는 선을 그릴 수 있고, DUV 액침 노광은 193nm 파장으로 약 38nm 피치까지, EUV는 13.5nm 파장으로 약 26nm 피치까지 한 번에 찍는다. 7나노급 칩의 가장 촘촘한 선은 40nm 이하 피치가 필요해 DUV 한 번으로는 부족하다.

⏱ 02:25가장 먼저 떠오르는 방법은 두 번에 나눠 긋는 것이다. 첫 노광으로 홀수 줄을, 두 번째 노광으로 짝수 줄을 찍으면 각각의 간격은 넉넉해진다.

문제는 두 번째 찍는 위치가 정확히 가운데 떨어져야 한다는 점이다. 조금만 어긋나도 간격이 들쭉날쭉해진다. 최신 DUV 장비는 이 어긋남을 0.9nm 이내로 맞추지만, 네 번 나눠 찍으면 맞춰야 할 자리와 노광 횟수가 그만큼 늘어난다.

⏱ 03:15이 때문에 가장 촘촘한 선은 빛을 한 번만 쓰고 나머지는 빛 없이 쪼갠다. 먼저 DUV로 넉넉한 간격의 기둥(맨드릴)을 한 번 긋고, 원자층 증착(ALD)으로 그 위에 같은 두께의 막을 덮는다. 위에서 아래로 식각하면 기둥 옆면에 붙은 벽만 남고, 가운데 기둥을 녹여 뽑으면 벽 두 개가 남는다. 간격은 정확히 절반이 된다.

선의 굵기를 정하는 것은 빛이 아니라 처음 덮은 막의 두께다. 벽은 기둥 옆에 생기므로 정렬 오차가 생기지 않아 자기 정렬 더블 패터닝이라 부른다. 이 벽을 다시 기둥으로 삼아 같은 과정을 한 번 더 하면 피치는 76nm에서 38nm, 다시 19nm로 줄어든다. 선을 네 번 그은 것이 아니라 한 번 긋고 벽을 두 번 쌓아 넷으로 쪼갠 것이다.

⏱ 05:03벽으로 만든 줄무늬는 끝없이 이어지므로, 회로가 되려면 군데군데 끊어야 한다. 끊는 자리는 다시 노광으로 찍는다. 인텔 자료에 따르면 10나노 공정에서 네 번 쪼개는 방식은 두 번 쪼개는 방식보다 식각이 세 번, 증착이 한 번 더 필요했다. 노광은 그대로인데 증착과 식각이 계속 늘어나는 구조다.

그래서 인텔과 TSMC, 삼성전자는 결국 EUV로 옮겨갔다. TSMC는 EUV 한 번이 DUV 노광 네다섯 번을 대신할 수 있다고 밝혔다. 2024년 파이낸셜 타임스 보도에 따르면 SMIC의 7나노와 5나노 가격은 TSMC보다 40~50% 비싸다는데, 익명 업계 관계자의 말이라 공식 수치는 아니다. 테크인사이츠도 메이트 80의 칩이 TSMC, 삼성의 5나노보다 덜 촘촘하다고 평가했다.

⏱ 06:03나우라의 2021년 매출은 약 97억 위안이었고, 지난해에는 4년 만에 네 배 넘게 늘었다. 순위도 2023년 8위로 처음 톱10에 들었고, 2024년 6위, 지난해 5위로 올랐다. 조사 기관마다 집계 방식이 달라 6위로 나오기도 하지만 해마다 상승했다는 점은 같다.

나우라의 연차 보고서 주력 제품은 식각, 방막 증착, 열처리 장비이며 노광기는 없다. 바로 쪼개기 공정에서 늘어나는 장비들이다. 2024년 ASML 장비 매출의 41%가 중국에서 나왔고, 중국산 장비 비중도 3년 전 약 10%에서 20~30%로 늘었다는 분석이 니케이에 인용되었다. 미국의 수출 규제가 중국 업계를 자국 장비 쪽으로 민 결과로 해석된다.

⏱ 07:40첫째, SMIC가 쪼개기를 어디까지 밀어붙일지다. 테크인사이츠 부회장은 5나노까지는 가능해도 장기적으로는 EUV가 필요하다고 보았다. 둘째, 중국산 EUV다. 로이터는 중국이 옛 ASML 장비 부품으로 EUV 시제품을 만들었고 2028년까지 칩 생산을 목표로 한다고 보도했다.

셋째, 나우라 자신이다. 올해 3분기 매출은 전년 대비 1.3% 늘어나는 데 그쳤고, 일부 자재 공급이 빠듯해 납품이 밀렸다고 회사는 설명했다. 한편 창신 메모리는 지난 9월 쿼드러플 패터닝을 쓴 5세대 디램 양산을 발표했다. 국내 메모리 업계에도 새로운 경쟁 상대가 생긴 셈이다.