EUV 노광 (Extreme Ultraviolet Lithography)

EUV가 필요한 이유

EUV는 ‘파장 13.5nm짜리 빛으로 회로를 그리는 노광 기술’이다.

기존 ArF(193nm)·ArF 이멀전과 비교하면 파장이 14분의 1로 줄어, 같은 광학계 한 번에 더 미세한 패턴을 그릴 수 있다. ‘이걸 왜 굳이 만들었나’의 답은 단순하다.

멀티 패터닝의 한계 때문이다.

ArF 이멀전으로 7nm 이하를 그리려면 한 층을 4~6번에 나눠 그려야 하고, 마스크 수와 비용이 폭증한다.

EUV가 들어오면 단일 노광으로 동등한 패턴을 그릴 수 있어, 마스크 수를 줄이고 결함 가능성도 낮출 수 있다.

EUV 광원의 원리: LPP 플라즈마

EUV 광원은 가장 어려운 부분이다. 13.5nm는 거의 모든 물질에 흡수되기 때문에, 일반적인 가스 방전이나 레이저로 만들기 어렵다.

현재 양산 EUV 광원은 LPP(Laser-Produced Plasma) 방식이다.

진공 챔버 안에 직경 수십μm의 주석(Sn) 방울을 매초 5만 회 떨어뜨리고, 두 번의 고출력 CO₂ 레이저 펄스를 정확히 그 방울에 쏘아 플라즈마를 만든다.

첫 번째 펄스는 방울을 살짝 ‘납작하게’ 펴고, 두 번째 펄스가 본격적으로 가열해 13.5nm 광을 방출시킨다.

이 광을 다층 미러로 모아 노광기 광학계로 전달한다.

광원 출력은 양산 안정성을 좌우하는 핵심 지표로, 2010년대 초반 수십W에서 현재 250~400W 수준까지 진화했다.

EUV 광학계와 마스크

광학계와 마스크 모두 ‘반사식’이라는 점이 EUV의 두 번째 특징이다.

EUV 광은 어떤 렌즈로도 통과시키기 어려워, 마스크부터 웨이퍼까지의 모든 광 경로가 다층 미러 반사로 구성된다.

미러 한 장당 반사율은 약 70% 정도라, 6~10장의 미러를 거치면 광의 상당 부분이 손실된다.

그래서 광원 출력이 매우 중요하고, 마스크의 결함 한 점도 모든 웨이퍼에 그대로 전사된다.

EUV 마스크는 펠리클을 부착해 입자가 직접 닿지 않도록 하는데, 펠리클이 광을 더 흡수하므로 광원 출력 부담이 한 층 더 늘어난다.

High-NA EUV: 다음 세대

High-NA EUV는 EUV의 다음 세대다.

광학계의 NA(개구수)를 0.33에서 0.55로 키워 더 작은 패턴을 그릴 수 있게 한다.

ASML의 EXE 5000 시리즈가 첫 양산형이며, 2024년부터 인텔이 가장 먼저 도입을 시작했고 삼성·TSMC도 도입 일정을 잡고 있다.

High-NA는 광학계 자체가 거대해지고, 마스크 사용 면적도 절반으로 줄어들어 회로 분할(field stitching)이 새로운 이슈가 된다.

그러나 2nm 이하 노드에서는 단일 노광 한계를 다시 키우는 결정적 도구로 평가된다.

ASML EXE 시리즈(High-NA EUV) 외관 · 이미지 출처: ASML

EUV가 도입된 노드와 산업적 영향

EUV가 도입된 노드는 7nm 후반부터 본격화됐다.

TSMC가 N7+에서 EUV를 일부 도입하고, N5에서 본격 사용을 늘렸다.

삼성 파운드리는 7LPP, 5LPE에서 EUV를 사용했고, D램에서는 1a nm부터 EUV가 한두 레이어 들어가기 시작해 1b·1c 노드에서 사용 레이어 수가 늘고 있다.

한 칩에 EUV 레이어 수가 늘수록 ASML 스캐너 캐파가 곧 양산 속도가 된다.

ASML 독점과 공급 병목

산업적으로 EUV는 ASML 단일 공급사 체제다.

캐논·니콘은 EUV 사업을 사실상 접었고, ASML이 광원(Cymer 인수), 광학계(Carl Zeiss SMT), 본체 모두를 통합 공급한다.

한 대당 가격은 NXE 시리즈가 약 3,000억 원, EXE(High-NA)는 5,000억 원이 넘는다.

연 출하량은 수십 대 수준이며, 미국의 대중 수출 통제로 중국으로의 EUV 수출은 사실상 금지돼 있다.

한국 기업이 EUV를 사용해 양산하는 D램·로직은 모두 ASML 스캐너에 의존하고 있다.

EUV는 단순한 ‘노광기’를 넘어, 글로벌 반도체 산업의 한 축을 결정하는 인프라다.

한 대를 들여놓는 데 들어가는 비용·인프라·인력·운영 노하우가 막대하기 때문에, EUV 보유 캐파가 곧 첨단 노드 경쟁력의 핵심 지표로 평가된다.