빛으로 칩을 그리는 법: EUV 리소그래피 설명

EUV 리소그래피는 주석 방울을 플라즈마로 만들어 13.5nm 극자외선을 얻는다. 유리와 공기도 흡수하는 이 빛을 다층 거울로 다루며, 웨이퍼에 닿는 빛은 몇 퍼센트에 불과하다. 이 손실은 더 작은 회로를 그리기 위한 설계상의 대가이며, 장비는 ASML 한 곳이 만든다.

⏱ 00:00EUV 노광 장비는 1초에 약 5만 번, 먼지보다 작은 용융 주석 방울을 발사하고 레이저로 두 번 타격해 극자외선(EUV)을 만든다. 주석은 태양 표면보다 약 40배 뜨거운 플라즈마 상태가 되며, 이 빛으로 최신 컴퓨터 칩의 미세 회로를 그린다.

그런데 이 빛의 대부분은 칩에 도달하지 못한다. 영상은 이 손실이 결함이 아니라 설계된 결과라는 점을 설명하겠다는 것으로 시작한다.

⏱ 00:32칩은 지름 300mm, 약 12인치의 초고순도 실리콘 원판(웨이퍼)에서 시작해 수십억 개의 트랜지스터가 층층이 쌓여 만들어진다. 이를 가능하게 하는 공정이 포토레지스트 공정, 곧 사진 식각이다. 사진 촬영의 반대로 생각하면 쉬운데, 세상을 필름에 담아 줄이는 대신 도면을 축소해 실리콘 위에 그리는 것이다.

웨이퍼에 빛에 반응하는 얇은 포토레지스트 막을 입히고, 원본 패턴인 레티클(마스크)에 빛을 쏘아 광학 렌즈로 4분의 1로 축소해 투영한다. 현상액으로 빛을 받은 부분을 씻어 내면 스텐실 같은 무늬가 남고, 식각·증착·이온 주입을 거쳐 실제 구조물이 된다. 최신 칩은 300개 이상의 공정 단계와 11개 이상의 금속 배선층이 필요하며, 제조에 보통 11~13주가 걸린다. 각 층은 나노미터 단위 오차 안에서 정확히 맞물려야 한다.

⏱ 02:00영상이 던지는 핵심 질문은 빛이 얼마나 작은 디테일까지 그려 낼 수 있느냐이다. 빛은 파동이라 파장보다 훨씬 가는 선은 또렷하게 그릴 수 없고, 억지로 시도하면 이미지가 흐려진다. 인쇄 가능한 최소 형상은 파장이 짧을수록, 그리고 개구 수(넓은 각도에서 빛을 모으는 능력)가 클수록 작아진다.

그래서 업계는 수은 램프에서 심자외선 레이저로, 2000년대 초반에는 193nm 불화아르곤 광원으로 파장을 줄여 왔다. 액침 스캐너와 다중 패터닝도 쓰였지만, 노광 횟수가 늘수록 비용과 시간, 오류 가능성이 함께 커졌다.

⏱ 03:16더 짧은 13.5nm 파장이 해답이었다. 이 파장은 엑스선과 극자외선의 경계에 있는데, 거의 모든 물질이 흡수해 유리 렌즈나 공기조차 쓸 수 없다. 그래서 장비의 광학계를 거울 기반으로 다시 설계해야 했고, 13.5nm 빛은 장비 내부에서 플라즈마를 직접 만들어 얻는다.

지름 약 25마이크로미터의 용융 주석 방울을 초당 약 70m 속도로 쏘고, 이산화탄소 레이저가 먼저 약한 펄스로 방울을 납작한 팬케이크 모양으로 만든 뒤 메인 펄스로 타격한다. 납작한 형태가 맞추기 쉬운 큰 표적이 되어 더 많은 주석이 유용한 빛으로 바뀐다. 이 타이밍 정밀도가 초당 5만 번 반복되어야 한다. 영상은 이 과정이 약 250와트의 유용한 EUV를 만들며, 장비 한 대가 전력망에서 1메가와트 이상을 끌어 쓴다고 설명한다.

⏱ 05:00EUV는 유리를 통과하지 못하므로 모든 광학 장치가 거울이다. 평범한 거울은 이 빛을 거의 반사하지 못해서, 몰리브덴과 실리콘을 수십 층 번갈아 코팅하고 각 층을 몇 나노미터 두께로 만든다. 층 경계마다 반사되는 미세한 빛이 위상을 맞춰 합쳐지도록 간격을 정밀하게 조절하는데, 비눗방울의 빛깔과 같은 간섭 원리를 의도적으로 활용한 것이다.

자이스에 따르면 최고의 거울도 빛의 약 70%만 반사한다. 여러 번 반사될수록 손실이 누적되어, 공개 추정치로는 거울 전체에서 빛의 약 96%가 흡수되고 웨이퍼에 도달하는 빛은 약 4%에 그친다. 거울 표면은 독일 크기로 확대해도 가장 높은 돌기가 0.1mm 수준일 만큼 매끄러워야 한다. 공기도 빛을 흡수하므로 광원에서 웨이퍼까지의 경로는 진공이다.

⏱ 06:25마스크인 레티클도 흡수성 금속으로 회로를 그린 다층 반사판이다. 빛은 약 6도의 미세한 각도로 부딪혀 패턴을 싣고 반사되고, 6개의 투영 거울이 이를 4분의 1로 축소해 웨이퍼에 초점을 맞춘다. 레티클과 웨이퍼는 칩 하나씩 스캔되는 동안 완벽하게 동기화되어 서로 지나간다.

장비 규모도 크다. ASML에 따르면 EUV 스캐너는 2층 버스 크기에 약 180톤, 10만 개 부품으로 구성되며, 운송에는 화물 컨테이너 40개, 트럭 20대, 화물기 3대가 필요하다. 칩 공장에서 재조립과 보정을 거친다. 최신 표준 장비는 시간당 220장 이상의 웨이퍼를 처리한다고 평가된다. 다만 EUV는 초미세 트랜지스터와 고밀도 배선 같은 핵심 층에만 쓰고, 나머지는 심자외선 장비가 맡는다.

⏱ 08:00EUV는 1986년 기노시타 히로시가 최초 이미지를 선보였고, 1997년 인텔 등이 미국 국립연구소와 컨소시엄을 꾸렸다. 삼성은 2018년 말 EUV 웨이퍼 생산을 시작했고, TSMC는 2019년 N7 플러스 공정이 고객 제품을 대량 생산한 최초의 EUV 기술이라고 밝혔다. 다음 단계는 개구 수를 0.33에서 0.55로 높인 하이 NA 장비다. ASML은 이를 통해 약 8nm 너비 회로와 트랜지스터 크기 1.7배 축소, 집적도 약 3배 향상이 가능하다고 밝혔다. 영상은 첫 고NA 모듈이 2023년 12월 인텔에 배송되었고, 2026년 7월 인텔이 특정 층에 사용을 시작했다고 밝혔다고 전한다.

이 장비를 만드는 곳은 네덜란드 ASML 한 곳뿐이다. 니콘과 캐논은 EUV 개발을 중단했고, ASML은 컨소시엄 참여, 사이머 인수, 자이스 칩 광학 사업부 지분 취득 등으로 기술을 이어 왔다. 결과물은 자이스의 거울, 트럼프의 레이저, 사이머의 광원 등 수많은 공급업체가 맞물린 공급망 그 자체이며, 수출 규제가 장비의 배송지를 제한한다.