글로벌 반도체 기업들이 미세공정으로 전환하며 미래 경쟁력 확보를 위해 힘쓰고 있다. 10 nm 칩을 사이에 두고 업계 2,3위인 삼성과 대만의 TSMC가 대결구도를 이루고 있는 형국이다. 이런 가운데 미세공정 경쟁의 핵심요소가 될 노광기술인 EUV와 QPT에 대한 업계 관심이 뜨겁다.

IBM이 최신 프로세서 혁신을 주도해 온 인텔보다 앞서 7 nm 반도체 생산 공정에 성공했다. 이로써 한계에 부딪힌 것으로 여겨졌던 무어의 법칙이 새로운 돌파구를 찾게 됐다.

IBM이 최근 공개한 반도체 칩 프로토타입은 현재의 14 nm 공정보다 무려 두 세대 앞선 제품이다. 내년에 상용화될 10 nm 공정보다 한 세대나 빠르다.
IBM의 기술 혁신을 시작으로 미세공정 주도권을 잡기 위한 혁신이 반도체 업계에 화두로 떠오르고 있다.



미세공정의 핵심 ‘노광기술’

이런 가운데 미세공정 경쟁의 핵심요소가 될 노광기술인 EUV와 QPT에 대한 업계 관심이 고조되고 있다.
전체 공정에 소요되는 시간 중 약 60%가 노광공정에 할애되며, 노광공정이 생산원가의 35%를 차지하기 때문이다. 따라서 노광공정에서의 원가절감 및 공정 단순화는 반도체 생산업계의 공통 목표라고 할 수 있다.

노광공정에서의 중요 과제는 광원의 파장을 줄여 미세한 회로패턴을 형성하는 기술을 발전시키는 것에 있다. 그동안 광원의 파장은 436 nm(G-Line)에서 지속적으로 줄어들었다. 현재 상용화된 기술은 193 nm 광원 파장의 이머전(액침) 불화아르곤(ArF) 장비를 통해 노광공정을 반복하는 ‘멀티패터닝’ 기술이다.

EUV와 QPT

하지만 업계에선 10 nm 이하 공정에서 멀티패터닝 기술이 장기적으로 봤을 때 한계에 다다를 것이라 판단, 대안 기술인 EUV 도입을 시도 중이다.
EUV(Extreme Ultra Violet, 극자외선)는 자외선(UV)과 X-선의 중간 영역에 있는 전자기파다. 파장이 짧은 EUV를 활용하면 10 nm 미만의 반도체도 한 번의 노광으로 생산이 가능, 멀티패터닝의 대체 기술로 제안되고 있다.

장점은 짧은 파장으로 해상도를 극대화할 수 있고 적은 횟수의 패터닝으로 구현 가능하기 때문에 공정 수가 대폭 감소한다는 점에 있다. 단점은 EUV 장비의 가격이 기존 ArF 장비의 2배 가량 된다는 사실이다. 또한 현재 기술로는 광원 출력이 부족, 웨이퍼 처리량이 부족하다는 점이 있다.

현재 EUV 장비 제작 기술을 가지고 있는 업체는 ASML이 유일하다. ASML은 네덜란드의 반도체 장비 생산기업으로서 세계시장 점유율이 20%가 넘는 기업이다.



TSMC는 ASML에 EUV 노광장비 2대를 구매했다. 장비 1대에 1,000억 원을 웃돈다.

EUV와 함께 주목받고 있는 QPT(Quadraple Patterning Tech, 쿼드러플 패터닝 기술)는 기존 DPT(Double Patter-ning Tech, 더블 패터닝 기술)를 반복하는 방식이다. 인텔, 삼성전자, TSMC 등의 반도체 업체가 사용하고 있는 기술이기도 하다.

장점은 기존의 ArF 장비를 이용해 구현이 가능하다는 점이다. 또 현재 기술로는 EUV 방식에 비해 생산효율이 좋다.
반면, 10 nm 이하의 공정에서는 불가능하다는 의견이 많으며, 공정이 복잡해져 원가 상승을 초래할 가능성이 높다. 또 공정의 미세화를 위한 대체 광원이 없다.
 
인텔, EUV 위해 2조 원 이상 투자 

인텔 역시 EUV를 위해 이미 ASML로부터 직접 장비를 구매했다. 이를 통해 제품 설계 및 구조 수정을 통해 웨이퍼 처리량을 증가시킬 것을 공표했다. 인텔은 ASML 장비 15대를 2조 원을 훨씬 넘게 들여 투자를 감행했다.

삼성전자는 현행 양산 기술인 14 nm 반도체 공정 비중을 늘리고, QPT 기술을 더 발전시켜 10 nm 이하 공정에 도전하고 있다.

이외에도 NIL(NanoImprint Lithography), DAS(Directed Self-Assembly) 등의 다양한 노광기술이 등장했지만, 아직 EUV나 QPT를 완벽히 대체하지는 못하는 수준이라는 평가다.
 
삼성과 TSMC, 전략 엇갈려 

1971년 인텔 최초의 마이크로프로세서인 ‘Intel 4004’는 공정 단위가 10 μm였다. 하지만 반도체의 역사는 끊임없이 진화에 진화를 거듭하고 있다.

이의 일환으로 현재 반도체 업계는 장기적인 관점에서 EUV로의 대체를 지향하는 추세다. 삼성전자만이 유일하게 멀티패터닝 기술의 현재형인 QPT를 발전시켜 10 nm 이하 반도체 공정에 성공할 것이라 판단, 이를 적용한 기술 혁신에 주력하고 있다. 기존 이머전 ArF 장비를 바탕으로 공정 기술을 고도화하게 되면 10 nm 진입이 가능하다는 판단에서다.

최근엔 삼성전자가 IBM의 기술 혁신과 TSMC의 견제로 인해 10 nm 공정을 통한 제품 양산 시점을 내년 말에서 올해로 앞당길 것이라는 전망도 나왔다. 인텔의 경우엔 10 nm 칩 양산을 2017년 하반기로 연기했다.

삼성전자가 기존의 기술을 이용해 어느 정도 수준의 공정까지 이끌어낼 수 있는지가 초미의 관심사다. 삼성전자와 TSMC의 10 nm 기술은 멀티패터닝과 EUV 기술 간 대결이 될 것이다.