반도체 EUV 나노 공정의 시장

안녕하세요 

이번 시간에는 EUV 공정의 현황과 미래에 대해 여러 증권사 산업 보고서, 유튜브 등을 참고해 정리해 보는 시간을 가지려고 합니다. 반도체 전문가가 아니라 개인 공부를 위한 자료정리 글로, 잘못된 내용이나 부족한 점이 있을 수 있으니 미리 양해 바랍니다. 

 

삼성전자, TSMC, 인텔이 이끄는 EUV (갑 같은 을 노광장비 제조사 ASML)

초미세 패터닝 공정은 EUV 광원을 이용하여 반도체 기판 위에 새겨지는 전자 회로의 선폭을 10nm 이하로 축소시켜 실리콘 웨이퍼 위에 집적시키는 기술이다. EUV 공정 확보에 대한 기술 전쟁은 2030년 이후의 반도체 산업의 패러다임에 결정적인 역할을 할 것이다. 현재는 TSMC와 삼성전자 두 곳만 5nm이하의 초미세 패터닝 장벽을 넘었고, 인텔에서 EUV 공정을 도입하려고 하고 있다.

 

기업별로 TSMC > 삼성전자 > 인텔 > SK하이닉스 > 마이크론 순으로 EUV 투자에 집중하고 있다. TSMC는 파운드리 사업, SK하이닉스와 마이크론은 메모리 사업만 진행하고 있는 점을 감안한다면, 파운드리 > 메모리 순으로 EUV 도입이 이루어지고 있다.

 

 

<출처: 이베스트 투자증권>

ASML은 노광장비의 91% 점유율을 차지하고 있으며, 특히 EUV 장비는 독점 공급, 23년 반도체 업황 둔화에도 불구 EUV 출하량 60대 전망

 

 

비메모리와 메모리에서 EUV

<출처: 이베스트 증권>

23년 ASML의 비메모리 매출비중은 절반 이상에 달할 것으로 전망

 

<출처: 이베스트 투자증권>

파운드리 업계에서 TSMC는 N7+, 삼성전자는 7nm 공정부터 EUV를 도입하기 시작, 인텔은 Intel 4 공정부터 EUV를 도입하며 마스크수와 공정수 축소효과를 강조.

ASML에 따르면 파운드리 산업에서 노드별 노광 장비 투자규모는 30%씩 증가, 5nm부터 EUV 투자비중이 절반을 넘을 것.

이미 파운드리 산업에서 TSMC와 삼성전자는 3nm 양산에 돌입하며 이미 EUV 도입이 이루어지고 있음. 인텔도 EUV를 23년부터 적용하기 시작하였으므로 파운드리 시장에서는 이미 EUV가 적극 도입되고 있다.

 

TSMC는 ASML의 EUV 장비를 100대 넘게 보유하고 있으며 전 세계 EUV 장비의 70% 이상을 확보하고 있어 파운드리 내에서 독보적인 위치를 확보하고 있다. 삼성전자는 메모리 쪽 DRAM에서도 EUV를 채택하고 있으며 파운드리 쪽은 TSMC가 아직 주목하지 않은 MCU, 차량 제어용 AP, XR/AR 전용 반도체 등 잠재력이 큰 시장에 선집입해서 고객과의 관계를 구축한다면 파운드리 경쟁력도 높아질 것이다. 인텔도 25년 이후 ASML과 공동개발한 High NA인 0.55NA급 EUV장비 확보에 대한 우선권이 있기 때문에 이후 충분한 물량의 EUV를 확보하게 된다면 경쟁력이 올라갈 것이다.

 

<출처: 이베스트투자증권>

DRAM제조에서 EUV를 도입할수록 공정 수는 단축됨.

ASML에 따르면 DRAM 노광 장비 투자규모는 20% 증가할 것이며, EUV 투자 비중이 14nm(1a)부터 EUV투자 비중은 절반을 넘어설 것.

메모리 산업에서는 회사별 다른 전략을 실천하고 있는 만큼 EUV 도입에 따른 비용 절감효과에 따라 침투율이 결정될 것.

삼성전자와 SK하이닉스는 DRAM제조에 EUV를 도입했다. 한편 마이크론은 25년으로 EUV 도입을 미루었다.

 

<출처: 이베스트투자증권>

 

EUV 도입의 배경 (미세화)

반도체 공정에서 미세화가 이루어지면 공간효율성, 전력효율성, 가격효율성이 좋아진다. 

반도체 공정이 미세화가 될수록 동일 면적 웨이퍼당 다이 개수가 늘어나고 규모의 경제로 가격 경쟁력이 좋아진다.

 

<출처: 이베스트 투자증권>

미세화 공정을 위한 방법은 여러 가지이지만, 가장 근본적인 방법은 회로폭이 작은 미세 패턴을 새기는 노광공정을 통해 이루어진다. 노광 공정 장비의 시장규모는 전체 공정 장비 중 25%를 차지, 그중 ASML은 91%의 점유율을 차지하며 EUV는 독점이다. 미세 패턴 노광 공정을 위해 메모리와 비메모리 분야에서 EUV는 필수적이다.

 

 

EUV공정 도입 필요성

이전 반도체 업체들은 미세 패턴 형성을 위해 습식 노광과 멀티 패터닝을 활용하고 있었다. 빚은 물에서 굴절되어 모아주는 효과가 있어 습식 노광이 건식대비 더 미세화가 가능했다. 

멀티 패터닝은 더블 패터닝, 커드러플 패터닝으로까지 발전하였는데 멀티 패터닝은 미세화가 이루어지긴 하지만 노광, 증착, 식각, CMP 등의 공정이 반복되며 일정 횟수 이상부터는 원가절감의 효과를 저하시킨다. ASML에 따르면 7nm 레이어를 형성하기 위해 EUV장비는 9번의 노광과 12개의 주요 공정만을 거쳐도 되는 반면 ArFi 장비는 34번의 노광과 59~65개의 공정을 거쳐야 한다. 

 

<출처: 현대차 증권>

 

하지만 멀티 패터닝을 EUV가 완전히 대체한다고 보기는 어렵다

그 이유는 아래와 같다.

1. EUV 장비의 리드타임은 1년에서 1년 6개월 수준으로 부품조달의 문제가 있을 경우 30개월까지 늘어난다. 따라서 고객사가 원하는 만큼 장비를 확보하기가 어렵다.

2. 아직까지는 비용적으로 ArFi 더블 패터닝이 저렴한 부분이 많아 EUV가 완전히 대체되기보다는 쿼드러플이 적용되는 것을 우선적으로 대체할 것으로 보인다.

3. EUV 전용라인 CAPEX 투자가 필요하다. ArF에서 EUV로 변한 파장으로 인해 공동라인을 사용할 수 없기에 EUV는 멀티 패터닝을 일부 대체하면서 서서히 투자될 것으로 보인다.

 

EUV 공정상 필수적인 요소: 펠리클

EUV 노광 공정상 오염이 발생하는데 노광공정시 핵심은 파티클 오염 컨트롤에 있을 정도로 파티클 제어가 중요하다. 여기서 파티클은 반도체 공정에서 문제가 되는 미세 먼지라 생각하면 된다. 

반도체 업계는 이러한 파티클 문제를 해결하기 위해 1) 마스크 표면에 거의 0에 가까운 입자가 도달하도록 파티클을 최대한 컨트롤하거나 2) EUV 펠리클을 사용해서 포토마스크를 보호하는 방법을 사용하고 있다.

 

EUV 펠리클은 얇은 박막을 포토마스크 위에 씌워 대기 중 분자와 오염물질로 부터 보호하는 필름으로, 패턴 결함을 줄이는 용도다.

 

두 가지 방법 중 생산리스크와 비용 절감 사이에서 적절하게 선택하여 진행되고 있다. 

마스크 일부가 오염되어도 나머지 부분만으로도 충분히 사용할 수 있는 메모리의 경우에는 무리해서 펠리클을 사용할 필요가 없다. 오히려 펠리클을 사용하면 감소하는 광량 때문에 생산성이 떨어진다. 

그러나 회로 일부만 오작동해도 전체를 못쓰게 되는 시스템 반도체에서는 펠리클이 필요하다. 그럼에도 불구하고 쉽게 양산공정에 적용하기 힘든 이유는 펠리클이 파괴되면 이물질로 인한 오염보다 더 심한 오염이 마스크에 발생해서 못쓰게 되기 때문이다.

 

http://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=20563 

국산 EUV 펠리클 상용화는 언제쯤?..."삼성의 결단에 달렸다" - 전자부품 전문 미디어 디일렉

 

관련 업계에 따르면 삼성전자가 EUV 펠리클 적용을 망설이는 까닭은 펠리클의 손상 위험성 때문인 것으로 알려졌다. EUV 공정은 고출력 에너지를 통한 작업이 진행되기 때문에 공정을 진행하는 과정에서 펠리클이 깨지는 등 위험성이 있다. 만약 공정 진행 중 펠리클이 깨지면, 수천억 원에 달하는 EUV 장비를 멈추고 수일 혹은 수주에 걸쳐 장비 클리닝 작업을 진행해야 한다. 클리닝에 들어가는 비용도 문제지만, 공정 중단에 따른 생산량 감소도 상당한 부담이다. 
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대만 TSMC도 비슷한 경험 끝에 EUV 펠리클 내재화에 성공한 것으로 알려졌다. TSMC는 일본 미쓰이화학의 EUV 펠리클과 자체 조달한 EUV 펠리클을 사용하는데, 공정 적용 과정에서 펠리클이 깨져서 몇 차례 라인을 중단한 것으로 전해진다. 특히 현재 상용화되고 있는 EUV 펠리클은 네덜란드 ASML과 테러다인이 공동 개발해 일본 미쓰이화학이 생산을 담당하고 있다. 해당 펠리클은 충분한 실증 테스트를 거친 끝에 신뢰할만한 가이드라인을 축적한 상태다.

업계에서는 국산 EUV 펠리클 실증 데이터를 쌓기 위해서는 지금이 적기라고 보는 시각이 많다. 호황기에는 실증 테스트를 할 여유가 없지만, 지금처럼 반도체 업황 부진에 따른 감산, 공정 가동률 하락이 있는 상황에선 해볼 만하다는 얘기다. 업계 관계자는 "결국 삼성이 결단을 내려줘야 국내 EUV 생태계가 뿌리를 내릴 수 있다"라고 강조했다. 

출처 : 전자부품 전문 미디어 디일렉(http://www.thelec.kr)

 

하지만 반도체가 미세화되고 공정상 결함을 줄이기 위해 점차적으로 펠리클 사용량은 증가하게 될 것이다.

 

이상, EUV의 현황과 방향에 대해 간략히 알아보았습니다. 더 깊이있는 공부는 기회가 된다면 다시 해보고 공유하도록 하겠습니다. 감사합니다!