13.5nm 빛 하나 때문에 반도체 장비를 전부 다시 만들었습니다

요약

반도체 노광 장비는 기존의 193nm 빛 대신 13.5nm EUV(극자외선)를 사용하기 위해 광원뿐 아니라 진공 시스템과 광학계까지 새로 설계해야 했다. 연구 시작부터 양산 수준에 이르기까지 약 20년이 걸렸다. 장비가 거대하고 복잡해진 이유는 EUV를 만들고 웨이퍼까지 전달하는 과정에서 여러 난제를 해결해야 했기 때문이다.

핵심 기술과 난제

• 주석 방울로 EUV 만들기: 진공 속에 작은 주석 방울을 연속해서 떨어뜨린 뒤 강력한 레이저를 쏘면, 주석이 플라스마가 되어 EUV를 방출한다. 레이저를 두 번 쏘는 방식에서는 첫 번째 레이저가 주석 방울을 납작하게 만들고, 두 번째 레이저가 에너지를 더 효율적으로 전달해 광원 출력을 높인다.
• 광원 출력 개선: 2010년 초기 시제품 광원의 출력은 약 1W였다. 회로를 인쇄할 수는 있었지만 양산 속도에는 크게 못 미쳤다. 영상은 출력이 2018년 약 250W로 높아졌고, 2025년에는 연구 시연에서 1,000W에 도달했다고 설명한다.
• 진공 환경: EUV는 공기에 쉽게 흡수되기 때문에 광원에서 웨이퍼까지 빛이 이동하는 장비 내부의 넓은 공간을 진공으로 만들어야 한다. 이 때문에 장비 자체가 대형 진공 시스템이 됐다.
• 렌즈 대신 다층 거울: EUV는 렌즈를 통과하면서 흡수되므로 기존처럼 렌즈로 빛을 굴절시키기 어렵다. 대신 서로 다른 재료를 100층 이상 쌓은 특수 거울을 사용한다. 다만 거울이 빛을 전부 반사하지는 않으며, 거울을 여러 개 거칠수록 빛이 계속 손실된다.
• 빛을 만들고 보존하는 문제: EUV 장비의 핵심 과제는 광원을 강하게 만드는 것뿐 아니라, 생성된 빛이 웨이퍼에 도달할 때까지 손실을 최소화하는 것이다.

개발 및 양산 과정

2010년 시제품 장비가 고객사에 전달됐지만, 2012년 처리량은 시간당 약 7장에 그쳤다. 양산 목표로 제시된 시간당 약 69장에 크게 못 미쳐 도입 일정이 계속 늦춰졌다. 개발 비용과 난도가 커지면서 2012년 인텔·삼성전자·TSMC는 차세대 EUV 및 450mm 기술 개발에 5년간 총 13억 8,000만 유로를 지원하기로 했다.

2013년 첫 생산 시스템이 마련됐지만, 생산 시스템의 등장만으로 곧바로 양산이 시작된 것은 아니었다. 2018년에는 고객사 현장에서 시간당 125장 이상을 처리할 수 있는 수준에 도달하면서 EUV가 첨단 반도체 양산에 활용될 가능성이 커졌다.

결론

장비는 처음부터 복잡하게 설계된 것이 아니라, 주석 플라스마 광원, 진공, 다층 거울, 광손실 문제를 하나씩 해결하는 과정에서 여러 기술이 거대한 장비에 집약됐다. 영상은 EUV 도입이 193nm에서 13.5nm로 파장만 바꾸는 단순한 전환이 아니라, 장비 전체를 다시 설계해야 했던 장기적인 산업 기술 개발이었다고 정리한다.

주요 화자·출처: 영상 내레이션 — 엔지니어 J의 공학노트. 별도의 인터뷰 발언자는 등장하지 않는다.