EUV 리소그래피

EUV(Extreme Ultraviolet) 리소그래피는 반도체 산업에서 초미세 집적 회로를 제조하기 위한 핵심 기술이다. 이 기술은 극자외선 빛을 사용하여 기존 방식으로는 불가능했던 미세 패턴을 실리콘 웨이퍼에 새겨 넣어, 더욱 강력하고 효율적인 차세대 칩 생산을 가능하게 한다.

1. EUV 리소그래피란 무엇인가?

EUV 리소그래피는 반도체 제조의 핵심 공정인 리소그래피 기술의 최첨단 형태로, 극자외선 빛을 활용하여 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 미세 패턴 구현을 가능하게 한다.

1.1 리소그래피의 기본 개념

리소그래피(Lithography)는 ‘돌에 그리다’는 의미의 그리스어에서 유래한 용어로, 반도체 제조에서는 빛을 이용하여 웨이퍼 위에 미세한 회로 패턴을 그리는 기술을 의미한다. 이는 마치 사진을 인화하는 과정과 유사하여, 마스크(Mask)에 그려진 원본 회로 패턴을 빛을 통해 감광액(Photoresist)이 도포된 실리콘 웨이퍼에 전사하는 방식으로 이루어진다. 이 과정은 반도체 칩의 성능과 직결되는 회로 선폭을 결정하며, 전체 반도체 제조 공정에서 가장 중요하고 비용이 많이 드는 단계 중 하나이다. 빛의 파장이 짧을수록 더 미세한 패턴을 구현할 수 있으며, 이는 반도체 칩의 집적도를 높여 성능 향상으로 이어진다. 기존에는 불화아르곤(ArF) 엑시머 레이저를 사용하는 DUV(Deep Ultraviolet) 리소그래피가 주로 사용되었으나, 193nm 파장의 DUV로는 7nm 이하의 초미세 패턴 구현에 한계가 있었다.

1.2 EUV 리소그래피의 정의 및 중요성

EUV 리소그래피는 13.5 나노미터(nm)의 극히 짧은 파장을 가진 극자외선(EUV)을 사용하여 5nm 이하의 초미세 반도체 공정을 가능하게 하는 기술이다. 이는 기존 DUV 리소그래피의 파장(193nm)보다 약 14배 짧은 파장을 활용하여, 빛의 회절 현상을 최소화하고 더욱 정교한 회로 패턴을 웨이퍼에 새길 수 있게 한다. EUV 리소그래피는 칩의 집적도를 획기적으로 높여 트랜지스터의 수를 늘리고, 이는 곧 칩의 성능과 에너지 효율을 극대화하는 데 필수적이다. 스마트폰, 인공지능(AI) 칩, 자율주행 시스템, 고성능 컴퓨팅(HPC) 등 미래 기술 발전에 필요한 고성능 반도체 생산의 핵심 기술로 자리매김하고 있으며, ‘무어의 법칙’의 지속적인 구현을 가능하게 하는 동력으로 평가받는다.

2. EUV 리소그래피의 역사와 발전 과정

EUV 리소그래피 기술은 수십 년간의 연구와 개발, 그리고 수많은 기술적 난관을 극복하며 상용화에 이르렀다. 이는 반도체 산업의 지속적인 발전을 위한 인류의 끊임없는 노력을 보여주는 사례이다.

2.1 초기 연구 및 개발

EUV 기술에 대한 연구는 1980년대 후반부터 시작되었다. 특히 1986년 일본 NTT 연구원 키노시타 히로오(Kinoshita Hiroo)에 의해 학계에 EUV 리소그래피의 개념이 처음 알려졌다. 1990년대에는 미국, 네덜란드, 일본 등 여러 국가에서 차세대 리소그래피 기술로서 EUV에 대한 활발한 연구가 진행되었다. 미국 에너지부(DOE)는 1990년대 중반부터 EUV 컨소시엄을 구성하여 산학연 협력을 통해 기술 개발을 주도했으며, 인텔(Intel), AMD, 모토로라(Motorola) 등 주요 반도체 기업들이 참여하였다. 이 시기에는 주로 EUV 광원, 반사형 광학계, 마스크 기술 등 핵심 요소에 대한 기초 연구가 집중적으로 이루어졌다. 초기에는 제논(Xenon) 플라즈마를 이용한 광원 개발이 시도되었으나, 효율성 문제로 인해 주석(Tin) 기반 광원으로 전환되는 계기가 되었다.

2.2 상용화까지의 도전과 극복

EUV 리소그래피는 기술적 난이도가 매우 높아 상용화까지 수십 년이 걸렸다. 2001년 네덜란드의 ASML은 EUV 프로그램에 착수하며 상용화를 위한 본격적인 행보를 시작했다. ASML은 이 분야의 선두 주자로, 2006년 최초의 EUV 프로토타입인 Alpha Demo Tools(ADT)를 출하하며 중요한 진전을 이루었다. 그러나 높은 시스템 비용, 광원의 낮은 출력, 마스크 결함, 포토레지스트의 낮은 감도 등 수많은 기술적 난제에 직면했다. 특히 EUV 빛이 모든 물질에 흡수되는 특성 때문에 진공 환경 조성과 고정밀 반사형 광학계 개발이 핵심 과제였다. ASML은 오랜 기간 동안 연구 개발에 막대한 투자를 하였으며, 특히 EUV 광원 전문 기업인 사이머(Cymer)를 2013년에 인수하여 광원 기술을 내재화하는 등 기술적 한계를 극복하기 위해 노력했다. 이러한 노력의 결과, 2016년에는 양산용 EUV 장비인 NXE:3400B 모델을 처음으로 출하하기 시작했으며, 2019년에는 삼성전자와 TSMC 등 주요 고객사에서 EUV를 활용한 첫 상업용 칩이 출시되면서 “무어의 법칙을 구한 기계”로 평가받았다.

3. EUV 리소그래피의 핵심 기술 및 원리

EUV 리소그래피는 기존 광학 리소그래피와는 근본적으로 다른 작동 원리와 복잡한 기술 요소들을 포함하고 있다. 초극자외선 광원, 반사형 광학계, 특수 마스크, 진공 환경 등 여러 첨단 기술이 유기적으로 결합되어 초미세 패턴을 구현한다.

3.1 초극자외선(EUV) 광원

EUV 리소그래피의 핵심은 13.5nm 파장의 극자외선 빛을 생성하는 광원이다. 현재 주로 사용되는 방식은 레이저 유도 플라즈마(LPP: Laser-Produced Plasma) 방식이다. 이 방식은 강력한 고출력 이산화탄소(CO2) 레이저를 초당 5만 개 이상 분사되는 미세한 주석(Tin) 액적에 조사하여 플라즈마를 생성한다. 레이저 에너지를 받은 주석 액적은 약 50만 볼트의 전압으로 가열되어 플라즈마 상태가 되고, 이 플라즈마에서 13.5nm 파장의 EUV 빛이 방출된다. 이때 발생하는 EUV 빛은 장비 내부의 오염을 방지하기 위해 특수 거울로 집광되어 웨이퍼로 전달된다. 광원의 안정적인 출력과 높은 효율은 EUV 장비의 생산성과 직결되므로, 지속적인 기술 개발이 이루어지고 있다. 현재 ASML의 EUV 장비는 시간당 최대 170~195개의 웨이퍼를 처리할 수 있는 수준의 광원 출력을 확보하고 있다.

3.2 반사형 광학계 및 마스크

EUV 빛은 산소, 질소와 같은 대부분의 물질에 흡수되는 특성을 가지고 있어, 일반적인 굴절 렌즈를 사용할 수 없다. 따라서 EUV 리소그래피 시스템은 몰리브덴(Mo)과 실리콘(Si)의 다층막으로 구성된 고정밀 반사 거울과 반사형 포토마스크를 사용한다. 이 거울은 ‘세계에서 가장 정밀한 거울’로 불리며, EUV 빛을 70% 이상 반사시키기 위해 약 100층의 실리콘과 몰리브덴이 교대로 증착된 구조를 가진다. 각 층의 두께는 EUV 파장의 1/4에 해당하는 약 6.75nm로 정밀하게 제어된다. 마스크 또한 투과형이 아닌 반사형으로 제작되며, EUV 빛을 반사시키는 몰리브덴/실리콘 다층막 위에 흡수층(Absorber layer)으로 회로 패턴이 형성된다. EUV 빛은 마스크의 흡수층에 의해 차단되거나 반사층에 의해 반사되어 패턴을 웨이퍼에 전사한다. 이러한 반사형 광학계는 진공 환경에서 작동하여 EUV 빛의 흡수를 최소화한다. 시스템 내부에 배치된 여러 개의 반사 거울은 마스크의 패턴을 축소하여 웨이퍼에 정확하게 투영하는 역할을 한다.

3.3 포토레지스트 및 노광 과정

EUV 리소그래피의 노광 과정은 다음과 같다. 먼저, 진공 챔버 내에서 마스크에 EUV 빛이 조사된다. 마스크의 패턴을 통과하거나 반사된 EUV 빛은 여러 개의 반사 거울로 이루어진 광학계를 거쳐 감광액(Photoresist)이 코팅된 실리콘 웨이퍼에 도달한다. 웨이퍼에 도포된 감광액은 EUV 빛에 반응하여 화학적 변화를 일으키는데, 이후 현상액에 담그면 빛을 받은 부분 또는 받지 않은 부분이 제거되어 회로 패턴이 웨이퍼 표면에 형성된다. 이 과정은 매우 정밀하게 제어되어야 하며, 특히 EUV 빛의 낮은 에너지로 인해 감광액의 감도와 해상도, 그리고 패턴의 균일성이 중요한 기술적 과제로 남아있다. 기존 DUV용 감광액보다 EUV에 최적화된 새로운 포토레지스트 재료 개발이 활발히 진행 중이며, 특히 금속 산화물 기반의 무기 포토레지스트(MOR)는 높은 해상도와 낮은 라인 거칠기(LER) 특성으로 주목받고 있다.

3.4 고개구수(High-NA) EUV 기술

고개구수(High-NA: High Numerical Aperture) EUV 기술은 기존 EUV 시스템의 해상도 한계를 극복하고 2nm 및 그 이하의 초미세 공정을 가능하게 하는 차세대 EUV 시스템이다. NA(Numerical Aperture)는 광학계의 해상도를 결정하는 중요한 지표로, NA 값이 높을수록 더 미세한 패턴을 구현할 수 있다. 기존 EUV 장비의 NA 값은 0.33이었으나, High-NA EUV는 0.55의 NA 값을 목표로 개발되고 있다. NA가 높아지면 더 많은 빛을 모을 수 있어 해상도가 향상되지만, 동시에 초점 심도(Depth of Focus)가 얕아지는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 광학계 설계와 마스크 기술에 혁신이 필요하다. ASML은 2023년 말 첫 High-NA EUV 시스템인 TWINSCAN EXE:5000을 출하했으며, 2024년 6월에는 ASML과 Imec이 고개구수 EUV 리소그래피 연구소를 공동 설립하며 기술 발전을 가속화하고 있다. High-NA EUV는 2025년 이후 2nm 및 1.4nm 공정 노드에 적용될 것으로 예상되며, 반도체 미세화의 다음 단계를 이끌 핵심 기술로 주목받고 있다.

4. EUV 리소그래피의 주요 활용 분야

EUV 리소그래피는 반도체 미세 공정의 한계를 돌파하며 다양한 첨단 기술 분야에 필수적인 고성능 칩 생산에 기여하고 있다.

4.1 반도체 미세 공정에서의 역할

EUV 리소그래피는 7나노미터(nm), 5nm, 3nm 등 최첨단 로직 및 메모리 칩 생산에 필수적인 기술이다. 기존 DUV(Deep Ultraviolet) 리소그래피는 193nm 파장을 사용하여 다중 패터닝(Multi-patterning) 기술로 7nm 공정까지 구현할 수 있었으나, 공정 단계가 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 있었다. EUV는 단일 노광으로 7nm 이하의 미세 패턴을 구현할 수 있어 공정 복잡성을 줄이고 생산 효율을 높인다. 이를 통해 트랜지스터 밀도를 획기적으로 높여 칩의 성능과 에너지 효율을 향상시킨다. 예를 들어, 5nm 공정에서는 7nm 공정 대비 약 1.8배 많은 트랜지스터를 집적할 수 있으며, 이는 곧 더 빠른 연산 속도와 낮은 전력 소비를 의미한다. EUV는 특히 로직 반도체의 핵심인 CPU, GPU, NPU 등 고성능 프로세서 제조에 주로 활용되며, 최근에는 D램과 낸드플래시와 같은 메모리 반도체 생산에도 점차 적용이 확대되고 있다.

4.2 차세대 칩 생산에의 기여

EUV 기술은 스마트폰의 모바일 AP(Application Processor), 인공지능(AI) 칩, 자율주행 시스템의 차량용 반도체, 고성능 컴퓨팅(HPC)을 위한 서버용 프로세서 등 다양한 차세대 전자기기의 핵심 반도체 제조에 필수적으로 활용된다. 이러한 분야의 칩들은 방대한 데이터를 빠르게 처리하고 높은 연산 능력을 요구하므로, EUV를 통한 초미세 공정이 필수적이다. 예를 들어, AI 칩은 수십억 개의 트랜지스터를 집적하여 복잡한 신경망 연산을 효율적으로 수행해야 하며, 자율주행 차량은 실시간으로 센서 데이터를 분석하고 판단해야 하므로 고성능, 저전력 칩이 필수적이다. 또한, EUV 리소그래피는 실리콘 포토닉스(Silicon Photonics) 분야에서도 잠재적인 응용 가능성이 연구되고 있다. 실리콘 포토닉스는 빛을 이용하여 데이터를 전송하는 기술로, 데이터 센터나 고속 통신 네트워크에서 데이터 처리 속도를 획기적으로 높일 수 있다. EUV의 미세 패턴 구현 능력은 이러한 광학 소자의 제조 정밀도를 높이는 데 기여할 수 있다.

5. EUV 리소그래피의 현재 동향 및 과제

EUV 리소그래피 시장은 첨단 반도체 수요에 힘입어 빠르게 성장하고 있으나, 여전히 높은 기술적 난제와 비용 문제에 직면해 있다. 이를 해결하기 위한 업계의 노력이 지속되고 있다.

5.1 시장 성장 및 주요 장비 제조사

EUV 리소그래피 시장은 인공지능, 5G, 자율주행 등 첨단 기술의 발전과 함께 고성능 반도체 수요가 증가하면서 높은 성장세를 보이고 있다. 시장조사기관 리서치앤마켓(Research and Markets)에 따르면, EUV 리소그래피 시장은 2023년에서 2028년 사이에 연평균 18.9%의 높은 성장률을 보일 것으로 예상된다. 이 시장에서 ASML은 EUV 시스템을 생산 및 판매하는 유일한 회사로 시장을 독점하고 있다. ASML은 네덜란드에 본사를 둔 세계 최대 반도체 장비 기업으로, EUV 기술 개발에 수십 년간 막대한 투자를 해왔다. ASML의 주요 고객사는 삼성전자, TSMC, 인텔 등 글로벌 선두 반도체 제조사들이다. 이들 기업은 최첨단 로직 및 메모리 칩 생산을 위해 ASML의 EUV 장비에 의존하고 있으며, EUV 장비의 확보 여부가 반도체 산업의 경쟁력을 좌우하는 핵심 요소가 되었다. 특히, 2023년 ASML은 총 40대의 EUV 장비를 출하했으며, 2024년에는 60대, 2025년에는 75대의 EUV 장비를 출하할 계획으로, 생산량을 꾸준히 늘려나가고 있다.

5.2 기술적 난제 및 개선 노력

EUV 리소그래피는 높은 시스템 비용(대당 약 2,000억 원 이상), 복잡한 광원, 마스크 결함, 포토레지스트 재료의 한계, 스토캐스틱 효과(Stochastic Effects) 등 여러 기술적 과제를 안고 있다. 스토캐스틱 효과는 EUV 광자의 수가 적어 발생하는 무작위적인 패턴 결함으로, 미세화가 진행될수록 더욱 중요해지는 문제이다. 또한, EUV 마스크는 매우 비싸고 결함 검출 및 수리가 어렵다는 단점이 있다. 펠리클(Pellicle)은 마스크를 오염으로부터 보호하는 얇은 막으로, EUV 빛에 대한 투과율과 내구성이 중요한데, 고출력 EUV 광원 환경에서 펠리클의 손상 문제가 지속적으로 제기되어 왔다. 이에 따라 광원 출력 향상, 마스크 결함 제어 및 수리 기술 개발, 펠리클 내구성 개선 및 투과율 향상, 오버레이(Overlay) 정확도 향상, 그리고 새로운 고감도/고해상도 포토레지스트 재료 개발 등 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다. 특히, ASML은 펠리클의 투과율을 90% 이상으로 높이는 기술을 개발하고 있으며, 삼성전자와 TSMC 등도 자체적으로 마스크 결함 제어 기술을 고도화하고 있다. 이러한 노력들은 EUV 공정의 수율과 생산성을 높이는 데 필수적이다.

6. EUV 리소그래피의 미래 전망

EUV 리소그래피 기술은 반도체 산업의 미래를 결정짓는 핵심 동력으로, 지속적인 혁신을 통해 더욱 미세하고 강력한 칩 생산을 가능하게 할 것이다.

6.1 향후 기술 발전 방향

미래에는 고개구수(High-NA) EUV 시스템이 2nm 및 그 이하 공정 노드를 가능하게 할 것이며, 이는 반도체 미세화의 다음 단계를 이끌 것이다. High-NA EUV는 기존 EUV 대비 약 70% 향상된 해상도를 제공하여 2nm 이하의 초미세 패턴 구현을 가능하게 한다. 또한, 인공지능(AI) 기반 컴퓨테이셔널 리소그래피(Computational Lithography) 기술의 통합이 가속화될 것이다. AI는 패턴 최적화, 결함 예측 및 보정, 공정 제어 등 리소그래피 전반의 효율성과 정확도를 높이는 데 기여할 것으로 예상된다. EUV의 응용 분야는 로직 반도체를 넘어 메모리(DRAM, NAND) 및 이종 패키징(Heterogeneous Packaging) 분야로 확장될 것이다. 특히 D램의 경우, EUV 적용을 통해 셀 면적을 줄이고 전력 효율을 높이는 연구가 활발히 진행 중이다. 이종 패키징은 여러 종류의 칩을 하나의 패키지에 통합하는 기술로, EUV의 정밀한 패터닝 능력은 이러한 복잡한 구조를 구현하는 데 필수적인 역할을 할 것이다.

6.2 반도체 산업에 미치는 영향

EUV 리소그래피는 ‘무어의 법칙’을 지속시키고, 인공지능, 5G, 사물 인터넷(IoT), 자율주행, 고성능 컴퓨팅(HPC) 등 미래 기술 발전에 필수적인 고성능, 저전력 칩 생산을 가능하게 하여 반도체 산업의 혁신을 주도할 것이다. EUV 기술이 없었다면 현재의 스마트폰, AI 서버, 데이터 센터 등 첨단 기술의 발전은 불가능했을 것이다. EUV는 반도체 제조의 핵심 병목 현상을 해결하며, 칩 설계자들이 더욱 복잡하고 강력한 기능을 가진 칩을 개발할 수 있도록 길을 열어주고 있다. 이러한 기술적 중요성으로 인해 EUV 리소그래피 장비 시장은 지속적으로 성장할 것으로 예상된다. 시장조사기관의 예측에 따르면, EUV 리소그래피 장비 시장은 2029년까지 226억 9천만 달러(약 33조 1천억 원) 규모로 성장할 것으로 전망된다. 이는 EUV 기술이 단순히 반도체 공정을 넘어 전 세계 기술 산업의 미래를 좌우하는 핵심 인프라로 자리매김하고 있음을 보여준다.

참고 문헌

• ASML. (n.d.). EUV lithography: The journey to commercialization. Retrieved from [https://www.asml.com/en/company/news-and-media/stories/euv-lithography-the-journey-to-commercialization](https://www.asml.com/en/company/news-and-media/stories/euv-lithography-the-journey-to-commercialization)
• IEEE Spectrum. (2019). The Machine That Saved Moore’s Law. Retrieved from [https://spectrum.ieee.org/the-machine-that-saved-moores-law](https://spectrum.ieee.org/the-machine-that-saved-moores-law)
• ASML. (n.d.). EUV light source. Retrieved from [https://www.asml.com/en/technology/lithography-concepts/euv-lithography/euv-light-source](https://www.asml.com/en/technology/lithography-concepts/euv-lithography/euv-light-source)
• Lam Research. (2022). The Future of EUV Lithography. Retrieved from [https://www.lamresearch.com/blog/the-future-of-euv-lithography/](https://www.lamresearch.com/blog/the-future-of-euv-lithography/)
• Semiconductor Engineering. (2023). New EUV Photoresists. Retrieved from [https://semiengineering.com/new-euv-photoresists/](https://semiengineering.com/new-euv-photoresists/)
• Imec. (2024). Imec and ASML open High-NA EUV Lithography Lab to accelerate 2nm and beyond scaling. Retrieved from [https://www.imec-int.com/en/articles/imec-and-asml-open-high-na-euv-lithography-lab-accelerate-2nm-and-beyond-scaling](https://www.imec-int.com/en/articles/imec-and-asml-open-high-na-euv-lithography-lab-accelerate-2nm-and-beyond-scaling)
• Research and Markets. (2024). Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography Market Report. Retrieved from [https://www.researchandmarkets.com/report/extreme-ultraviolet-euv-lithography-market-global-outlook-and-forecast-2023-2029](https://www.researchandmarkets.com/report/extreme-ultraviolet-euv-lithography-market-global-outlook-and-forecast-2023-2029)
• ASML. (2023). Q4 and Full Year 2023 Financial Results. Retrieved from [https://www.asml.com/en/investors/financial-results/q4-2023](https://www.asml.com/en/investors/financial-results/q4-2023)
• ASML. (n.d.). High-NA EUV: The next step in lithography. Retrieved from [https://www.asml.com/en/technology/lithography-concepts/high-na-euv](https://www.asml.com/en/technology/lithography-concepts/high-na-euv)
• MarketsandMarkets. (2024). Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography Market. Retrieved from [https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/extreme-ultraviolet-euv-lithography-market-103362140.html](https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/extreme-ultraviolet-euv-lithography-market-103362140.html)