1대에 5천억짜리 기계, ASML의 노광장비를 아시나요?

ASML EUV 노광장비 NXE 3400 / 출처: ASML

 

오늘은 반도체 제조 공정에서 굉장히 중요한 역할을 하는 노광장비에 대해 이야기해볼까 해요. 특히 ASML이라는 회사의 노광장비가 왜 그렇게 주목받고 있는지, 함께 살펴보도록 하겠습니다. ASML은 네덜란드 벨트호벤에 본사를 두고 있는 세계 최대의 노광장비 제조사입니다. 필립스와 ASMI의 합작으로 설립되었으며 네덜란드 국적 기업 중 시가총액 1위를 기록하고 있다고하네요.

오늘 포스팅은 반도체 산업에 관심 있으시다면 어디가서 조금 아는척(?)하실 수 있을실거에요.

ASML의 노광장비란 무엇인가?
ASML은 반도체 제조 공정 중 가장 중요한 단계 중 하나인 노광 공정에 사용되는 장비를 개발 및 생산하는 기업입니다. 노광 공정은 실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 인쇄하는 과정으로, ASML의 장비는 이 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. ASML의 노광 장비는 레이저를 사용하여 미세한 회로 패턴을 형성합니다. 이 장비는 높은 정밀도와 성능을 가지고 있으며, 반도체 제조 업체들은 ASML의 장비를 사용하여 고성능 반도체 칩을 생산합니다. 대표적인 노광 장비로는 EUV(극자외선) 장비가 있습니다. EUV 장비는 기존의 노광 장비보다 더 미세한 회로 패턴을 형성할 수 있으며, 반도체 칩의 성능 향상에 큰 역할을 합니다. 또다른 장비로는 DUV(심자외선) 장비가 있는데 이것은 불화아르곤(ArF) 광원을 사용하며 193nm 파장을 가진 빛을 이용해 웨이퍼 위에 회로를 그리는 장비 입니다. ASML은 이러한 기술력을 바탕으로 전 세계 반도체 시장에서 높은 점유율을 차지하고 있으며, 반도체 산업의 발전에 큰 기여를 하고 있습니다.

노광기술의 발전과 ASML의 역할
반도체 소자의 집적도가 증가하면서 점점 더 미세한 회로 패턴을 구현할 수 있는 노광 기술이 필요하게 되었습니다. 이를 위해 ASML은 지속적인 연구개발을 통해 노광 기술의 발전을 이끌어왔습니다. 먼저, 1980년대에는 자외선(UV)을 이용한 노광 기술이 주로 사용되었습니다. 그러나 이 기술은 미세한 회로 패턴을 구현하는 데 한계가 있었습니다. 이후 1990년대에는 불화크립톤(KrF) 엑시머 레이저를 이용한 DUV(심자외선) 노광 기술이 등장하면서 보다 미세한 회로 패턴을 구현할 수 있게 되었습니다. 현재는 EUV(극자외선) 노광 기술이 대세로 자리 잡았습니다. 이는 기존의 DUV 기술보다 더 미세한 회로 패턴을 구현할 수 있으며, 10나노미터 이하의 초미세 공정을 가능하게 합니다. ASML은 이러한 EUV 노광 기술을 주도하고 있으며, 독점적인 기술력을 보유하고 있습니다. 또, 최근에는 멀티 패터닝 기술을 발전시켜, 하나의 레이어에서 여러 번의 노광 공정을 수행함으로써 더 미세한 회로 패턴을 구현할 수 있게 되었습니다. ASML은 이러한 멀티 패터닝 기술에서도 선도적인 역할을 하고 있습니다.

반도체 제조 과정에서 노광장비의 중요성
웨이퍼 위에 회로 패턴을 형성하는 핵심적인 역할을 하기 때문에 반도체 제조 공정에서 가장 중요한 장비 중 하나로 꼽힙니다. 회로 패턴이 미세할수록 반도체의 성능이 향상되기 때문에, 노광 장비의 성능이 반도체의 성능을 좌우한다고 해도 과언이 아닙니다. 성능을 결정하는 요소는 다음과 같습니다.
첫째, 해상도입니다. 이는 웨이퍼 위에 형성된 회로 패턴의 선폭을 결정하는 요소이며, 작을수록 좋습니다.
둘째, 초점 심도입니다. 이는 회로 패턴의 왜곡을 최소화하는 데 중요한 역할을 하며, 클수록 좋습니다.
셋째, 처리 속도입니다. 시간이 길어질수록 생산성이 떨어지기 때문에, 빠를수록 좋습니다.
넷째, 생산량입니다. 단위 시간당 처리할 수 있는 웨이퍼의 개수를 의미하며, 많을수록 좋습니다.
다섯째, 유지보수 용이성입니다. 자주 발생하기 때문에, 쉽고 빠르게 이루어질수록 좋습니다.

ASML 노광장비의 독특한 기술: EUV
극자외선(EUV)을 사용한다는 점에서 기존의 노광 장비와 차별화됩니다. EUV는 파장이 13.5나노미터로, 기존의 광원보다 짧기 때문에 더 미세한 회로 패턴을 형성할 수 있습니다. 또다른 장점은 멀티 패터닝 공정을 줄일 수 있어 생산성을 높일 수 있다는 점입니다. 기존의 노광 장비는 불화아르곤(ArF) 레이저를 사용했는데, 이것은 파장이 193나노미터로 길어 미세한 회로 패턴을 형성하는 데 한계가 있었습니다. 그래서 회로 패턴을 형성하기 위해 여러 번 반복해서 찍는 멀티 패터닝 공정이 필요했습니다. 하지만 EUV는 이러한 멀티 패터닝 공정을 줄일 수 있어 생산성을 높일 수 있게 되었습니다. 높은 기술적 난이도와 비싼 가격으로 인해 전 세계에서 ASML만이 독점적으로 생산하고 있으며, 대당 가격이 2,000억 원 이상으로 알려져 있습니다. 수요가 많아 공급이 부족한 상황이 지속되고 있으며, 이로 인해 ASML은 높은 수익성과 성장세를 이어가고 있습니다.

노광장비의 성능 및 특징 비교
성능과 특징은 주로 광원의 종류와 해상도에 따라 결정됩니다. 현재 가장 널리 사용되는 노광 장비는 불화크립톤(KrF) 레이저를 사용하는 i-라인(365nm)과 불화아르곤(ArF) 레이저를 사용하는 ArF-액침(193nm) 장비입니다. i-라인 장비는 1990년대부터 사용되어 왔으며, 비교적 저렴한 가격과 높은 생산성으로 인해 여전히 많은 반도체 제조 업체에서 사용되고 있습니다. 그러나 파장이 길어 미세한 회로 패턴을 형성하는 데 한계가 있습니다. ArF-액침 장비는 i-라인 장비의 단점을 보완하기 위해 개발되었습니다. 액체 상태의 불화아르곤을 사용하여 해상도를 높였으며, 보다 미세한 회로 패턴을 형성할 수 있습니다. 2000년대 중반부터 도입되기 시작했으며, 현재는 대부분의 반도체 제조 업체에서 사용되고 있습니다. 위에서 언급했듯이 ASML의 EUV 장비는 극자외선을 사용하여 더 미세한 회로 패턴을 형성 할 수 있으며, 멀티 패터닝 공정을 줄일 수 있어 생산성을 높일 수 있는 장점이 있습니다.

반도체 산업에 미치는 ASML 노광장비의 영향
ASML의 노광장비는 반도체 산업에서 없어서는 안 될 중요한 장비 중 하나 입니다. 그 이유는 아래와 같습니다.
첫째, 점점 더 미세해지는 반도체 칩의 회로 선폭을 구현하는데 ASML의 기술이 꼭 필요하기 때문입니다. 7나노미터 이하의 초미세 공정에서는 기존의 불화아르곤(ArF) 광원으로는 회로를 그릴 수 없어, ASML이 독점 생산하는 EUV(극자외선) 노광장비가 필수적입니다.
둘째, 전 세계에서 유일하게 EUV 노광장비를 생산하는 기업이라는 점입니다. 그만큼 경쟁자가 없다는 뜻이며, 동시에 고객사가 제한적이라는 의미이기도 합니다. 실제로 ASML은 전 세계 반도체 기업들 가운데서도 삼성전자, 인텔, TSMC 등 최상위 기업들을 고객사로 두고 있습니다. 

셋째, 반도체 시장의 규모가 계속해서 성장하고 있기 때문입니다. 시장조사업체 가트너에 따르면, 전 세계 반도체 시장의 규모는 2020년 4,014억 달러에서 2021년 4,331억 달러로 8.4% 성장했습니다. 2022년에도 4,804억 달러 규모로 전년 대비 10.5% 성장할 것으로 전망됩니다. 이러한 상황에서 ASML의 노광장비 수요는 계속해서 증가할 것으로 예상됩니다.

ASML 노광장비를 사용하는 세계의 반도체 회사
세계 유수의 반도체 회사들은 ASML의 노광장비를 사용하고 있습니다. 대표적인 회사들은 아래와 같습니다.

• 삼성전자 : 한국의 대표적인 반도체 제조업체로, ASML의 주요 고객사 중 하나입니다. 주로 메모리 반도체를 생산하며, 최근에는 파운드리 분야에서도 경쟁력을 강화하고 있습니다.
• 인텔 : 미국의 대표적인 반도체 제조업체로, CPU 시장에서 압도적인 점유율을 차지하고 있습니다. ASML의 장비를 이용하여 7나노미터 이하의 미세 공정을 구현하고자 노력하고 있습니다.
• TSMC : 대만의 대표적인 반도체 파운드리 업체로, 전 세계 파운드리 시장에서 50% 이상의 점유율을 차지하고 있습니다. ASML의 장비를 이용하여 5나노미터 및 3나노미터 공정을 성공적으로 구현하였으며, 2나노미터 공정 개발에도 박차를 가하고 있습니다.
• SK하이닉스 : 한국의 또 다른 대표적인 반도체 제조업체로, 주로 메모리 반도체를 생산합니다. ASML의 장비를 이용하여 10나노미터 이하의 미세 공정을 구현하였습니다. 

위와 같은 대형 반도체 제조사 외에도, 다수의 반도체 설계 전문 업체(팹리스)들 역시 ASML의 장비를 사용하고 있습니다.

미래 기술 발전을 위한 ASML의 연구 개발
극자외선 (EUV) 노광 기술 분야에서 세계적인 선두 주자이며, 미래 기술 발전을 위한 연구 개발에 지속적으로 투자하고 있습니다. 이러한 노력은 다음과 같은 분야에서 이루어지고 있습니다.
1. EUV 기술의 발전: 기존의 EUV 기술을 개선하고, 보다 효율적이고 안정적인 EUV 노광 시스템을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 이를 통해 반도체 제조 공정의 성능과 수율을 향상시킬 수 있습니다.
2. 새로운 노광 기술의 연구: 현재의 EUV 기술을 넘어서는 새로운 노광 기술을 연구하고 있습니다. 이 중에는 액체 렌즈 기술, 다중 패터닝 기술 등이 포함됩니다. 이러한 기술은 미래의 반도체 제조 공정에 큰 변화를 가져올 것으로 기대됩니다.
3. 인공지능 기술의 활용: 인공지능 기술을 활용하여 노광 공정의 자동화와 최적화를 추진하고 있습니다. 이를 통해 생산성을 높이고, 불량률을 줄일 수 있습니다.
4. 환경 보호 기술의 개발: 반도체 제조 공정에서 발생하는 오염물질을 최소화하고, 친환경적인 제조 환경을 구축하기 위해 노력하고 있습니다. 
5. 고객 지원 강화: 고객과의 협력을 강화하고, 고객의 요구에 맞는 맞춤형 솔루션을 제공하기 위해 노력하고 있습니다.

ASML 노광장비와 글로벌 기술 경쟁
반도체 산업에서 가장 중요한 장비 중 하나로 꼽히며, 글로벌 기술 경쟁에서 우위를 차지하기 위해 ASML의 노광장비를 확보하는 것이 중요합니다. 주요 경쟁 업체로는 니콘(Nikon)과 캐논(Canon)등이 있지만, ASML은 기술력과 시장 점유율 측면에서 압도적인 우위를 차지하고 있습니다. 높은 기술력을 보유하고 있으며, 이를 바탕으로 높은 시장 점유율을 유지하고 있습니다. 매년 매출액의 15% 이상을 연구개발에 투자하며, 이를 통해 최신 기술을 적용한 노광장비를 출시하고 있습니다.  글로벌 반도체 기업들과의 협력을 강화하고 있으며, 이를 통해 노광장비의 성능을 더욱 향상시키고 있습니다.

반도체 산업에서 없어서는 안 될 핵심 장비인 노광장비에 대해 알아보았는데요. 앞으로도 다양한 정보를 통해 여러분께 재미있고 유익한 정보 포스팅으로 찾아뵐께요. 감사합니다.