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지난해 이후 미-중 갈등의 핵심은 '반도체 장비 수출규제'였다. 최첨단 반도체를 만들 장비와 기술을 중국 및 중국 소재 기업에 팔지 말라는 게 미국 정부의 방침이다. 

미국이 중국 수출을 규제하는 반도체 장비 중 가장 관심이 큰 건 EUV(극자외선) 장비다. EUV 장비가 극미세 반도체 제조공정에 있어 필수적이기 때문이다. EUV 장비 수출규제를 두고 네덜란드 정부와 ASML은 "필요하면 중국에도 장비를 팔겠다"고 반발하고 나섰다. 중국이 자체적인 EUV 장비 개발에 나섰다는 외신 보도도 나오는 상황이다. 

중국은 EUV 장비 독자 개발에 성공할 수 있을까. 또 EUV 생태계가 본격적으로 개화하는 시점은 언제가 될까. 국내 EUV 최고 전문가로 꼽히는 안진호 한양대 신소재공학부 교수로부터 전망과 관측을 들어봤다. 안 교수는 지난 2019년 국내 최초의 EUV 관련 산학협력센터인 EUN-IUCC(극자외선 산학협력연구센터) 설립을 주도했다. 최근에는 이 센터를 토대로 반도체 공정 전반에 걸친 연구개발을 담당할 한양스마트반도체연구원(HY-ISS) 설립을 주도하고, 초대 원장을 맡았다. 

안진호 교수는 "미국의 수출 규제에 맞서 중국이 EUV 장비 개발에 나섰지만, 단기간에 개발할 수는 없을 것"이라고 잘라 말했다. 그는 "EUV는 일본조차도 포기할 만큼 기술 난도가 높다"며 "10년, 15년 뒤에도 (중국의 EUV 장비 개발은) 불가능할 것"이라고 전망했다.

안 교수는 이어 "High-NA EUV 장비가 실제 양산에 적용될 수 있는 시기는 2026년이 될 것"이라며 "High-NA EUV 장비 가격이 대당 5천억원에 달할 정도로 비싸지만, 미세 공정을 안정적이고 효율적으로 운영하기 위해서는 전환이 필수"라고 평가했다.

반도체 공정을 둘러싼 주변 생태계 역시 High-NA EUV 시대로의 전환에 대비해야 한다고도 강조했다. 안 교수는 "EUV의 렌즈 수차가 증가하고 광원의 파워를 높일수록 포토레지스트(PR), 마스크, 펠리클 등 여러 반도체 소재·부품에 요구하는 스펙도 더 높아지게 될 것"이라며 "내구성을 높이거나 더 미세한 회로 구현에 최적화된 소재들을 활용하는 방식 등이 필요하다"고 말했다.

안진호 교수는 12월8일 《디일렉》이 개최하는 'EUV 글로벌 생태계 콘퍼런스'에서 High-NA 시대를 대비한 EUV 소재 기술 개발 전략에 대해 발표할 예정이다. 이번 콘퍼런스에는 삼성전자, SK하이닉스, 동진쎄미켐, 에스앤에스텍, 이솔, 파크시스템스 등 국내 주요 반도체 기업과 ASML, AMAT, 도쿄일렉트론, 칼자이스, 부쉬코리아 등 글로벌 기업이 참여한다.   

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Q. 요새 많이 바쁘셨다고 들었다. 

"외부에서 손님들이 꽤 많이 오셨다. 가장 최근에는 마크 루터 네덜란드 총리가 한양대 연구실에 와서 학생들과 만났다. 또 한양스마트반도체연구원(HY-ISS) 개원식도 지난 10월 20일에 했다. 개원식에 네덜란드 ASML의 '넘버 3' 정도 되는 요스 벤쇼프 ASML 기술총괄 부회장도 오셔서 강연을 해주셨다. 또 저희 내부 일은 아니지만 ASML 코리아가 화성에 뉴캠퍼스 기공식을 열었다. 피터 베닝크 CEO, 마틴 반 덴 브링크 CTO 등 ASML의 주요 경영진이 다 왔다. "

Q. 해외 기업이 한국에서 뭔가 하는게 쉽지 않다. 한국을 분쟁 지역이라 생각하는 경향도 있지 않나?

"그렇다. 특히 ASML은 해외에서 부동산 취득을 안 하는 걸로 알고 있다. 여태까지는 한국에서 건물을 임대해 써왔는데, 임대료도 비싸고 그 정도 사이즈로는 (사업하는 게) 도저히 불가능하다. ASML의 국내 고용 인력만 봐도 예전에 비해 10배, 20배 이상 늘었다. 이번에 투자하는 규모를 보면 2400억 정도를 투자해서 오피스, 트레이닝 센터, 재제조 센터 등을 짓는다고 발표했다. "

Q. 한양스마트반도체연구원(HY-ISS)은 어떤 곳인가?

"한양대학교는 반도체 하시는 교수님들이 꽤 많이 있다. 다른 여느 대학보다도 많다. 이분들과 같이 협업할 수 있는 공식적인 조직을 만들었으면 좋겠다는 총장님의 지시 아래 외부에서 재정지원을 받지 않고, 내부적으로 수십억을 지원받아서 반도체 팹 클린룸을 건설 중이다. 12월 중순에 완공하고 장비를 들여올 것이다. 요즘 EUV 말고 '핫'한 패키징 쪽 센터도 100평 정도 규모로 건설 중이다."

Q. 교수님이 원장을 맡고 계시나?

"그렇다. 연구원 산하에 4개 센터를 설립했다. 극자외선 노광기술 연구센터인 EUV-ICC 센터가 주축이다. 그리고 첨단 반도체패키징 센터, 또 우리 학교(한양대)에 플라즈마로 유명한 교수님이 계신다. 그래서 원자 수준 공정 및 플라즈마 센터를 뒀다. 그리고 여러가지 소자, 반도체 물성을 하는 물리과, 화학과 등이 참여하는 차세대 반도체 물성 소재 연구센터 등 4개가 있다."

Q. 지금 연구원 소속 교수님은 몇 분 정도인가?

"50명 정도가 있다. 여러가지 내부 사정으로 다 들어오시지 못한 다른 연구센터 교수들도 1~2년 사이에 들어오면, 규모가 80명에서 90명 정도로 늘어날 것으로 본다. 엄청 큰 반도체 관련 연구 인력이 참여한다고 보면 된다."

Q. 학교 내에 시설이 있는가?

"지금 구축하고 있다. 연내 빌딩이나 퍼실리티는 완성 예정이다. 장비들은 내년 1월 말까지 반입하려고 노력 중이다. 일부는 새로 구입해야 하는데, 아시다시피 너무 오래 걸린다. 1년 이상 걸리는 장비도 있지만 조급해하지 않고 차근차근 준비해 완성해 나갈 계획이다."

Q. 한양스마트반도체연구원이 4개 센터로 반도체 공정에 대한 전반적인 교육과 연구 지원을 한다고 말씀하셨는데, 궁극적인 목표는 무엇인가?

"지금 반도체 관련 인력들이 모자란다고 해서 계약학과도 만들고 있다. 개인적인 생각이지만 반도체 계약학과를 만드는 객체들은 대부분 대기업이다. 대기업들은 예전에 비해 인력이 모자란다고 말하겠지만 더욱 고통받고 있는 기업들은 대기업과 관련이 있는 국내 소재·부품·장비 중소·중견기업이다. 물론 대학생들과 대학원생들이 중소·중견기업보다는 삼성, SK하이닉스처럼 대기업을 선호하긴 하겠지만, 중소·중견기업들이 좋은 인력을 뽑아갈 수 있는 방법 중에 하나는 본인들의 기술이 얼마만큼 있는지 보여줄 수 있는 기회가 있어야 된다. 그래서 우리는 기업과 대학원생들이 같이 일할 수 있는 환경을 만들려고 한다. EUV-IUCC도 그런 취지로 만든 조직이다. 산업체와 학교가 협업할 수 있는 공간을 만들고 기회를 만들자는 취지다.

스마트반도체연구원에서는 당연히 하던 연구도 하지만, 산업이 필요한 인력들을 양성하는 역할도 동시에 하려 한다. EUV-IUCC도 2019년 말 시작할 때는 9개 회원사로 시작했는데, 지금은 총 31개사가 참여했다. 처음에는 국내 중소·중견기업만 우선적으로 회원사로 영입했는데, 글로벌 기업들도 요청이 와서 나름대로 고민을 좀 했다. 글로벌 기업이 우리한테 도움이 되는 포메이션일까, 글로벌 기업을 유입하면 또 경쟁 상대를 키우는 게 되는게 아닐까 하는 생각을 했다. 지금은 정리를 다 했다. 우리가 후발주자인 부분도 있고, 글로벌 기업과는 꼭 경쟁이 아니라 협업할 수 있는, 서플라이 체인으로 영입할 수 있는 관계도 많이 있기 때문에 과감하게 영입을 했다. 예를 들면 램리서치나 도쿄일렉트론, 펠리클하는 미쓰이도 회원사로 가입했다. 미쓰이화학은 핵심 소재를 하고 있지는 않고 조립만 하고 있는 상황인데, 펠리클 소재를 잘 만드는 회사가 있으면 미쓰이의 영업력을 붙여서 글로벌 '넘버 원'이 될 수 있는 협업관계도 할 수 있다는 생각에서 영입하게 됐다."

Q. 스마트반도체연구원과 EUV-IUCC는 별도로 운영하는 건가?

"아니다. 스마트반도체연구원 밑에 EUV-IUCC가 있는 형태다."

Q. EUV-IUCC가 굉장히 잘 되지 않았나?

"EUV-IUCC는 한양대학교 내부에서 만들었던 사업인데, 제일 잘 된 케이스다. 그래서 이것이 스마트반도체연구원으로 커질 수 있었다. 정부에서도 좋은 모델로 받아들여서 국가지정 연구협의체라는 것들도 만들어졌다. 과기부에서 지원을 받고, 국가연구 협의체라는 것을 구상할 때 과기부 공무원들과 많이 논의했다. EUV-IUCC에서의 경험과 어려운 점, 좋은 점과 관련해 많이 이야기를 나눴고 그런 게 이번 연구원 설립의 모태가 됐다고 생각한다."

Q. EUV에 대해 여쭤보겠다. 노광장비 시장 현황, 여러 모델들의 가격, 회사별 실적, ASML이 EUV 단독으로 하고 있으니 생산 계획이나 다음 High-NA 생산 시점에 대해 설명해달라.

"우선 가격에 대해 말씀드리면 EUV 장비는 엄청 비싸다. 지금 판매되고 있는 0.33 NA EXE 모델은 2천억에서 2천5백억 정도 하는 걸로 알려져 있다. 조금 이따가 말씀드릴 High-NA, 0.55NA 장비는 5천억 정도로 예상하고 있다. 거의 2배다.

그런데 왜 이걸 써야되냐면, 성능도 좋지만 그만큼 생산성도 높일 수 있어서다. Deep UV(DUV)의 가장 하이엔드 장비가 ArF 이머전 장비인데, 가격이 EUV 장비에 비해 3분의 1 정도다. 우리나라 돈으로 800억원 정도다. 이것도 싸진 않다. 그런데 옛날에 쓰던 이머전 이전의 ArF 드라이 장비는 엄청 가격이 낮다. ArF 이머전에 비해 3분의 1 정도니까 250억원 정도면 살 수 있다. KrF 같은 경우는 140억~150억원  정도면 살 수 있다."

Q. KrF가 싸긴 한데 낸드 때문에 쓰는 것 아닌가?

"그렇다. EUV 시대가 됐다고 해서 모든 장비가 EUV로 바뀌는 건 아니다. ArF 이머전, KrF에 대한 수요도 엄청 많다. 지금 없어서 못 파는 상황이고, 중고 장비 확보하기도 힘들다."

Q. 아이라인(I-line)이라는 고전 장비도 있지 않나?

"그런 것들도 수요가 많다. 그렇지만 아이라인부터는 DUV라고 부르지는 않고, 수은 램프(mercury lamp)를 쓰는 방식이다. 반도체 소자의 디자인 룰은 다양하기 때문에 많은 수요가 있다고 보시면 된다."

Q. 오히려 과거 장비를 구하기가 더 힘든 경우가 있지 않나?

"그렇다. (장비를) 잘 안 만드는데 수요는 또 있는 상황이다. 장비를 팔면 AS도 해줘야 하는데, EUV를 AS하는 사람하고 아이라인을 AS하는 사람은 기술 수준이 다르다. 그러니까 그런 것들을 포트폴리오로 유지한다는 것 자체가 큰 부담이 된다. 그래서 회사별로 제품 구성이 다르다. ASML은 EUV 장비를 만드는 유일한 회사이고, 작년 재작년 매출을 보면 33억~34억 유로, 그러니까 6조원 정도의 EUV를 팔았다. 그리고 DUV 장비가 54억 유로, 8조~9조원 정도를 팔았다. 그리고 54억 유로 중 40억유로는 ArF 이머전 장비다. ASML은 대부분의 돈을 하이엔드인 ArF 이머전, EUV 장비에서 벌고 있다고 보면 된다."

Q. 2010년도에는 ASML이 개발비가 없어서 인텔, TSMC, 삼성에 지분 투자해달라고 했었다. 조금 지나면 EUV와 DUV의 매출이 뒤집어지는 경우도 생길 것 같다.

"그렇다. 한대당 5천억짜리 High-NA 장비가 나오면 매출 규모가 달라질 거다. 2010년도까지 힘을 썼던 일본의 캐논과 미코는 어떻게 됐나. 니콘은 ArF 이머전 장비를 극히 일부, ASML의 10분의 1 정도 팔고 있다. 캐논은 ArF 이머전도 못하고 있다. 계측(metry) 장비 분야에서 시장 유지를 하고 있는 것으로 보여진다. 새로운 기술의 개발이 ASML 회사 자체의 시장 규모 확대에도 큰 영향을 미친 건 확실하지만, 반도체 전반에 미친 영향을 보자면 비교할 바가 아니다."

Q. 노광장비는 1년에 어느 정도 생산이 되는가?

"지금 EUV 노광장비 중 Low-NA, 0.33 NA 같은 경우는 45대~50대를 만드는 걸로 알고 있다. 그런데 아직 수요를 못 따라가고 있어서 한국에서 어떤 기업이 (ASML을 만나러) 간다는 얘기도 있다. 현재는 45~50대 정도 생산하고 있지만 2026년도에는 거의 2배로 늘리겠다고 한다. 90대까지 늘리겠다는 얘기다. 또 EUV High-NA는 첫 번째 툴 생산이 2024년이나 2025년에 가능할텐데, 실제로 양산에 적용할 수 있는 시기는 2026년 정도로 보고 있다. ASML은 2027년, 2028년이 되면 연간 20대 정도를 5천억짜리 High-NA EUV 장비 만들겠다고 하는데 그건 수요를 좀 봐야 한다."

Q. High-NA가 적용됐을 때 어떤 효과를 가져올 수 있나?

"Arf에서 ArF 이머전, 그리고 ArF 이머전에서 EUV로 넘어오는 가장 큰 이유는 해상도를 높일 수 있다는 것이다. 파장이 짧으면 물리학적인 원리에 의해서 작은 것을 그릴 수 있는데, 사실 작은 걸 그릴 수 있는 방법은 다른 방법도 있다. 기억하시겠지만 멀티 패터닝에서 2번 찍거나 4번, 8번 찍거나 하는 방식으로 할 수 있는데, 그렇게 되면 사실 코스트가 많이 필요하다. 작은 패턴을 상대적으로 적은 코스트로 만들 때 중요한 게 쓰루풋, 즉 1시간 당 또는 하루에 몇 장을 찍어낼 수 있는가이다. 그리고 얼마나 정확한 위치에 갖다놓을 수 있느냐 하는 성능으로 따져보면, EUV를 쓰는 게 장비 살 때는 부담이 되지만 결국 운영 프로핏이 더 많다고 판단하기 때문에 전환을 하는 거다.

그렇지만 지금은 EUV 시장은 시작 단계라고 본다. 왜냐하면 양산에 본격 적용하고 있는 회사는 TSMC, 삼성 뿐이다. SK하이닉스도 몇 대 없고 인텔도 지금 이걸 양산에 본격 적용하고 있는 건 아니니까  'EUV 시대는 이제부터 시작'이라고 생각하면 될 것 같다. 우리나라 기업들이 포토레지스트, 펠리클, 마스크 연구개발을 시작한 게 아직 일천하지만 이 시장이 개화하는 시기는 아직 오지 않았다. 앞으로 2025년~2026년 정도가 되면 더 많은 장비가 들어오고 더 많은 프로세스에 EUV가 적용되면 그런 수요는 더 많이 커질 것 같다." 

Q. High-NA로 인해 주변 생태계가 바뀌는 경우도 있나?

"크게 바뀔 건 없다. 서플라이어들에게는 좀 더 빡빡한 스펙을 요구할 것이다. 장비를 2천5백억짜리 쓰다가 5천억 짜리를 쓰는 이유는 더 작은 패턴을 정확하게 더 빨리 찍고 싶어서다. 더 작은 패턴을 찍기 위해서는 더 작은 EUV 마스크가 있어야 한다. 그런데 EUV 마스크를 예전과 같은 로직으로는 지금 만들 수가 없는 상황이다. EUV라는 게 반사광이 되고 사각 입사를 하고 이런 것들로 생긴 모든 것들을 해결해가면서 작은 패턴을 만들어야 되기 때문에, 그런 EUV 마스크의 구조, 그리고 마스크에 쓰이는 물질의 변화가 필요하다.

펠리클의 경우를 보면, High-NA는 사실 광학계만 좀 변경해주는 것이기 때문에 High-NA 하고는 직접적인 관계는 없다. 하지만 EUV 소스의 파워도 동시에 계속 증가하고 있다. 그래서 High-NA 시대가 되면 EUV 소스 파워도 450와트, 600와트 ,1000와트로 가게 된다. 빨리 찍게 되면 밝은 광을 쓰게 될 때 펠리클에서 흡수되는 에너지가 커진다. 그러니까 열적인 하중이 커져서 로우 파워일때는 견뎠는데 하이파워가 되면 터진다던지 하는 문제가 있기 때문에 내구성을 훨씬 더 높여야 된다.

EUV 포토레지스트도 마찬가지다. 마스크를 작게 만들고 빨리빨리 찍는데 포토레지스트가 받쳐줘서 작은 패턴을 인식해야 한다. 그런데 지금처럼 길이가 긴 폴리머로 이뤄진 포토레지스트를 쓰면, 작게 만들 수 있는 한계가 있다. 예를 들면 라인 엣지 러프니스 등 여러 디펙트가 있다. 그래서 인프리아나 램리서치에서 이야기하는 나노 파티클 메탈 옥사이드에 기반한 걸 쓰게 되면 단위 입자들이 작아지기 때문에 작은 패턴을 할 수 있다고 하는 거다. 지금은 CAR 타입의 PR이 사용되겠지만 3nm 이하의 패터닝이 되면 램리서치가 이야기하는 Non-CAR 타입의 PR을 요구할 가능성이 많다."

Q. CAR라는 게 무슨 뜻입니까?

"화학 증폭형 레지스트다. Chemical Amplificaion Resist라고 해서 빛이 들어오면 화학 작용을 많이 일으키도록 촉매를 쓰는 방식이다. EUV 시대가 되니까, 작게 만들어야 하니 반응을 많이 시키면 안 된다. 빨리 찍기 위해서는 반응을 빨리 일으켜야 하는데 작게 만들기 위해서는 빨리빨리하면서 조용히 국부적으로 뛰어야 한다. 아이들 밥 먹이면, 초콜렛 먹이면 막 뛰어다니지 않나. 그런 것처럼 에너지가 넘치면 너희 구석에서만 뛰어다녀라 하는 게 안 된다."

Q. CAR 방식이냐, Non-CAR 방식이냐는 유기물이냐 무기물로도 나눌 수 있는건가?

"그렇다. CAR 타입에는 무기물을 보통 섞어 쓰지 않는다. 그런데 인프리아나 램리서치는 거기에 무기물을 넣어서 여러가지 좋은 특성을 갖고 있다."

Q. 처음에 램리서치가 드라이 PR을 발표했을 때에는 약간 의아했던 부분들이 있었다. 그런 기업들은 미리 다른 장비와의 연관성을 보는건가?"

"그렇게 본다. 램리서치가 ArF에 멀티플 패터닝하다가 EUV로 넘어오면 제일 타격을 받는 회사가 에칭 장비 쪽이다. 쿼드러플 패터닝하면 리소 에치를 4번을 해야 되니까 4대를 팔 수 있는데, EUV가 들어오면 한 번에 에칭을 하게 된다. 그러면 살아남을 수 있는 방법이 뭐냐 하면, 첫 번째로 밀었던 거는 드라이 포토레지스트보다는 드라이 디벨롭먼트다. 기존에는 PR을 노광하게 돼서 화학적으로 빛을 받은 부분이 바뀌게 되는 현상액이 되면, 잘 녹아나거나 덜 녹아나게 하는 디자인하는 게 포토제리스트다. 그렇게 하던 거를 이제 레지스트의 두께는 일정한데 패턴의 폭이 점점 작아지니까, 예전에는 3층 집과 같은 가로세로의 비율이 됐었는데, 이거는 마치 고층 빌딩처럼 폭은 작아지고 높이는 일정해야되는 에치의 단계로 가게 됐다. 이렇게 세워놨더니 쓰러지니까, 쓰러지지 않게 하는 방법을 여러가지 연구를 했었는데 램리서치는 아예 용액에 닿지 않고 플라즈마 에칭하는 원리로 디벨롭했으면 좋겠다고 해서 내놓은 게 드라이 포토레지스트다. 드라이 포토레지스트는 CVD 방법으로 지금 잘 하고 있다. 

지난번 공식적인 자리에서 인프리아에 '소송건은 어떻게 됐냐'고 짓궃게 질문을 했다. (※최근 인프리아는 램리서치를 상대로 PR 관련 특허 소송을 제기한 바 있음) 그랬더니 자리를 살짝 피하더라. 그런데 피해도, 일부는 그런 개념을 갖다 쓸 수 있었지만, 드라이 디포지션(증착) 한다고 당시에 나쁜 아이디어는 아니었다."

Q. 끝으로 중국에서 EUV 장비 개발하겠다는 보도가 간헐적으로 나온다. 가능한 일인가?

"사실은 중국에서 미국의 수출 규제 때문에 많은 장비를 개발하고 있다고 듣고 있다. 그렇지만 EUV는 일본조차도 포기할 만큼 기술의 난도가 높기 때문에, EUV를 금방 만들 수 있다고는 보지 않는다. 지금 분위기는 미국이 무슨 근거로 수출 규제를 못하게 하느냐 해서, 얼마 전에 ASML이 '우리가 EUV를 중국에 파는 데 왜 너희들이 뭐라고 하느냐'고 했다. 필요하면 팔 것이라고 얘기를 했다. 그런 입장에서 보자면 중국이 EUV 장비를 금방 만들 수 있다고 보지는 않는다. 10년, 15년 뒤에는 불가능하다. 어렵다고 본다. 그래서 ASML이 유일한 서플라이어가 될 것 같다."

Q. 레이저, 소스, 광학계 등 중국이 자체 EUV 생태계를 구축할 수 있나는 생각이 들긴 하다.

"어렵다고 본다. 지금 미국에서 많은 수출 규제로 중국을 견제하고 있지만 궁극적으로 반도체 산업을 중국이 못하게 하는 건 불가능하다고 봐야 한다. 이걸 딜레이(지연)시킬 뿐이다. 그런데 딜레이 시키는 동안에 미국이 외국으로 있던 생산기지를 불러 들여서, 중국한테 제조와 관련해서 휘둘리지 않을 때까지만 시간을 벌자 하는 작전으로 본다. 왜냐하면 지금 보조금을 통해서 해결하고 있는데, 보조금이라는 게 적은 금액이 아니다. 미국 정부에서 지속적으로 돈을 퍼부을 수도 없다. 두번째는 다른 산업 섹터에서는 반발이 있을 수밖에 없다. '반도체만 산업이냐, 2차전지 쪽에서도 우리도 그렇게 혜택을 달라' 이렇게 말할 수 있는 거다. 그리고 기업이라는 것은 영리를 위해서 만들어진 단체다. 이들한테 '누구한텐 팔고 누구한텐 팔지마라'고 하는 건 아무리 미국이라도 불가능하다고 본다. 어느 정도 시간을 거쳐서 재원을 투자해서 보조금 형태로 중국에 못 팔게 하는 것도 미국 정부에서 할 수는 있지만, 궁극적으로는 풀릴 수 밖에 없다고 보고 있다."

디일렉=장경윤 기자 [email protected]
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