국내외 반도체 투자 경쟁의 핵심, 'EUV 미세공정'

'2030년 시스템반도체 1위'를 천명한 삼성전자에게 파운드리 사업은 목표 달성을 위해 절대 놓칠 수 없는 과제입니다. 이를 위해서는 당연히 TSMC의 벽을 넘어야 합니다. 다만 TSMC는 오랜 노하우로 축적된 기술뿐 아니라 기존 거래처와의 관계 등에서 강점을 가지며 삼성전자의 추격에도 승승장구 하고 있습니다.

삼성전자는 7나노 이하의 초미세공정에서 주도권을 잡아 점유율 격차를 점진적으로 줄여나간다는 방침으로 추격의 핵심 키는 EUV 기술입니다. TSMC 또한 EUV 도입에 굉장히 적극적이기 때문에 양사는 치열하게 EUV 투자 경쟁을 벌이고 있습니다. 실제로 ASML의 언급에 따르면 코로나19 사태에도 불구하고 주요 고객사의 EUV 주문 지연은 없을 것으로 전망하면서 TSMC를 포함한 대형 고객사들의 7~5나노급 첨단 기술에 대한 수요가 높다고 설명했습니다.

시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올 2분기 기준(예상) 세계 파운드리 시장 점유율은 TSMC가 51.5%, 삼성전자가 18.8%입니다. 1분기 기준보다는 TSMC와 삼성전자의 격차가 줄어들었다는 점과 3위권 이하의 점유율에서는 딱히 유의미한 변동이 없는 것으로 볼 때 양사 간 투자 경쟁은 격화될 전망입니다.

반면, 양사는 올해 5나노 공정 양산에 나서면서 시장 주도권이 점점 더 공고해질 가능성이 매우 높습니다. 현재 기준으로는 두 회사만 7나노 이하 초미세 공정 기술을 보유한 것으로 평가 받기 때문입니다. 3위 회사인 글로벌파운드리스는 10나노 미만 EUV 공정 도입에 어려움을 겪고 있고, 5위 기업인 중국의 SMIC도 중국 정부의 전폭적인 지원을 받아 올 연말까지 7나노 양산을 목표로 세우고 있지만 기술력 측면에서 뒤처진 게 사실입니다.

최근 미국의 움직임도 심상치 않습니다. 미국 상원에서는 'The American Foundries Act of 2020'이라는 제목의 자국 반도체 산업 육성 법안을 내놓았습니다. 이 법안의 요지는 미국 내 반도체 공장 건설 및 확장 지원, 미국 내 건설되어 있는 18개 반도체 공장의 현대화, 반도체 기술 R&D 지원 등입니다. 기본적으로 이 법안은 아시아권에 수십 년간 아웃소싱 했던 반도체 어셈블리, 테스트, 패키징 부분 등을 더 이상 아시아에 의존하지 않겠다는 전략적인 뜻으로 풀이됩니다. 게다가 글로벌 판데믹 사태로 인해 미국의 반도체 서플라이체인 부분에서의 의존성, 취약성이 드러나 이런 자국 내 육성 방안은 더욱 가속화될 것으로 전망됩니다.

이 법안을 통해 인텔, 글로벌파운드리스, 마이크론, NXP, 텍사스 인트루먼트 등 미국 회사들이 크게 수혜를 입을 것으로 분석됩니다. 미세공정 단계의 발전으로 점점 반도체 설비 가격 자체가 오르는 것은 자명합니다. 이 때 미세공정 경쟁에 참여하기 위한 자본 지출에 부담을 느끼는 기업들에게 숨통을 터줄 것으로 기대됩니다. 그리고 이런 반도체 관련 자본 지출은 EUV 설비 투자로 이어질 가능성이 매우 높습니다.

경제성 확보로 본격 개화된 EUV 생태계

EUV(Extreme Ultra Violet)는 극자외선 파장의 광원으로 웨이퍼에 패턴을 그리는 차세대 반도체 공정입니다. 기존 불화아르곤(ArF) 광원보다 파장이 훨씬 짧아 세밀하게 패턴을 그릴 수 있습니다. 같은 면적의 도화지(웨이퍼)에 훨씬 세밀한 펜(EUV 광원)으로 기존의 두꺼운 붓(DUV 광원)보다 훨씬 많은 그림을 그릴 수 있는 원리와 같습니다. 기존의 ArF, KrF 방식으로는 미세공정이 진행될수록 멀티패터닝 방식을 사용해 공정 단계 수가 계속 늘어났고, 이에 따라 필요한 마스크의 개수도 필연적으로 늘어났습니다. 동시에 사이클 타임이 길어지고 비용이 늘어나는 등의 문제가 있었습니다.

하지만 EUV 방식으로는 싱글패터닝으로만 14나노 수준까지 미세공정이 가능하고 EUV에 멀티패터닝 기술까지 도입한다면 이론적으로는 2나노 이하의 공정까지 가능하다고 합니다. EUV 싱글패터닝은 기존 DUV 멀티패터닝 방식 대비 15~50% 수준까지 비용절감이 가능하고 사이클 타임은 3~6배 정도로 줄어들며 저발열, 저전력에 따른 퍼포먼스 향상까지 도모가 가능합니다. 이에 따라 향후 대세가 될 5G, AI 등 하이엔드 성능 반도체 제작에 필요한 고성능 공정으로 주목받고 있습니다. 공정 단계가 줄어드니 불량률이 줄어드는 것은 덤입니다.

다만, EUV 도입 후 안정적인 수율에 도달하는 데까지는 초기 비용 문제가 발생합니다. 특히 메모리반도체의 경우 기존 DUV 포토공정에서 멀티패터닝의 생산성을 넘어서기 위해서는 2,500장/일을 넘어서야 하지만 '21년에도 2,000장/일에 못 미칠 것 전망되어 당장 모든 레이어에 EUV를 사용할 수는 없을 것으로 보입니다. 먼저 공정의 난이도가 높은 레이어에서부터 적용하게 될 것이며, 무엇보다 미세공정 단계가 진행될수록 3~4개의 레이어로 점차 확장될 것으로 기대됩니다.

EUV가 최근에 본격 개화하게 된 것은 무엇보다 이러한 비용문제를 어느 정도 수용할 수 있는 경제성이 확보됐기 때문입니다. ASML이 작년부터 판매 중인 신제품 모델은 작년 주력 모델보다 WPH(EUV 장비 사용시 활용성 평가 단위)가 36% 가량 개선되는 등 높은 생산성과 활용성이 입증 됐습니다. 점차 EUV 공정 도입 시의 효용 대비 초기 비용 문제에 대한 부담이 줄어든 현상이 EUV 세대로의 전환에 있어 촉매 역할을 했다고 볼 수 있습니다.

메모리든 비메모리든 너나 할 것 없는 EUV 투자

반도체 설비투자 로드맵에서 볼 때 EUV는 '도입을 해야 할지 말지'의 여부가 아니라 '얼마나 많이 투자 해야할지'의 문제입니다. DUV 방식으로는 로직/파운드리 기준 멀티패터닝으로도 7나노까지가 한계이며, DRAM 기준으로는 1Z 이하 칩을 제조하는 데 있어서 어려움이 있기 때문입니다. EUV 공정을 도입하지 않는다는 것은 곧 공정 경쟁에서 향후 도태된다는 것을 의미합니다.

로직 반도체 업체들은 5G와 AI 등 고성능 컴퓨팅 같은 애플리케이션을 지원하기 위해 계속 미세공정 비중을 확대하고 있는 중입니다. 특히 TSMC와 삼성전자는 10~7나노가 아직 주력이긴 하지만 올해 하반기 5나노까지 양산을 목표로 하고 있습니다. 뿐만 아니라 최근 로직 반도체에 국한됐었던 EUV 공정이 DRAM을 축으로 메모리 반도체 생산에도 도입되기 시작했습니다. 지난 3월 25일 삼성전자가 EUV 공정을 적용해 생산한 1X 10나노급 DDR4 D램 모듈 100만 개 이상을 글로벌 고객사(아마존 웹서비스)에 공급한 것이 밝혀졌습니다. 이는 업계 최초로 DRAM에서의 EUV 공정 적용 및 양산을 의미합니다. 나아가 향후 DRAM 미세화 공정이 1Z, 1A에 도달하면서 최대한 많은 레이어에 EUV를 도입한다는 기존 계획보다 훨씬 공격적으로 EUV를 적용했음을 알 수 있는 대목입니다.

로직과 메모리 부문은 EUV를 사용하는 목적이 서로 다릅니다. 로직/파운드리의 미세공정은 고성능 칩을 개발하기 위한 성능 경쟁이었지만, 메모리 부문은 원가를 낮추기 위한 생산성이 중요합니다. 최근 EUV 노광장비의 성능개선으로 효용 대비 비용 문제가 점차 수용할 수 있는 선으로 부담이 낮아진 것이 메모리 반도체의 EUV 활용에 주효했다고 봅니다.

이러한 메모리/비메모리 반도체 미세공정 로드맵에 따라서 올해와 내년을 기점으로 EUV 공정이 기존의 DUV 공정(ArF Dry, ArF Immersion 공정)의 활용 점유율이 더 높아질 것으로 예상됩니다. 현재 EUV 공정에서 핵심 장비인 EUV 노광장비를 생산하는 회사는 ASML社가 유일합니다. 기존 ArF Dry 공정에서는 Canon, Nikon社와 3파전이었지만 EUV 공정에서는 ASML만 독주하는 무대로 재편됐습니다.

또한 ASML의 EUV 장비는 연도별 판매대수는 점차 늘어날 것으로 예상되고 올해 2분기부터 두 자릿수 출하를 할 것으로 기대됩니다. EUV 장비의 평균 판매가격이 기존 DUV 장비보다 최대 6배가량 오를 것으로 예상돼 EUV 판매비중이 올라 가며 수익성 개선을 엿보는 동사의 수혜가 돋보입니다.

이러한 ASML의 주요 고객사들로는 작년 매출 기준 TSMC(매출비중 약 40%), 삼성전자(매출비중 약 15%), 인텔(매출비중 약 13%) 등이 꼽힙니다. 따라서 이 세 반도체 메이커들의 CAPEX에 따라서 글로벌 EUV 공정 투자 방향을 가늠할 수 있을 것입니다. 가장 눈에 띄는 곳은 바로 삼성전자입니다. 평택캠퍼스 P2와 V2의 파운드리 라인에 EUV 공정 도입을 천명했다는 것에 더해 지난 6월 P3를 EUV 전용라인으로 공장을 구축할 것으로 기대됩니다. 이에 TSMC도 미국 애리조나주에 대규모 5나노 파운드리 공장 건설을 계획했고, 100억 달러 규모 대만 먀오리현에 패키징/검측 공장의 신축도 공식화했습니다.

글로벌 파운드리 경쟁에는 완전히 불이 붙은 모양새입니다. 웃으면서 불구경을 할 수 있는 곳은 EUV 밸류체인 업체들입니다.

EUV 공정 Value Chain

EUV 노광 공정은 기존 DUV 노광 공정은 프로세스에 많은 차이가 있습니다. 프로세스 자체가 바뀌었기 때문에 EUV 전용 광원, 핵심설비, 관련부품, 소재 등이 새롭게 적용되어야 합니다. EUV 광원의 파장은 13.5nm로 현재도 주력으로 쓰이고 있는 ArF의 193nm에 비해 기존보다 1/14 수준으로 짧습니다. 이런 짧은 파장은 모든 물체에 흡수되는 굉장히 까다로운 성질을 갖고 있습니다. 심지어 공기에 노출이 돼도 EUV 광원은 흡수되어 버립니다.

기존 노광장비가 투영렌즈를 이용해서 1/4로 '축소 투영'해 웨이퍼에 회로를 그리는 방식이었다면, EUV 공정에서는 기존 렌즈는 쓸 수 없습니다. 앞서 말했듯 EUV 광원의 높은 흡수성 때문에 빛을 통과시키지 못하고 흡수해버리기 때문입니다. 따라서, 유일한 EUV를 위한 노광 방식은 장비 내 반사경을 여러 개 만들어 '빛의 반사의 원리'를 적용해서 여러 번의 축소 투영하는 형식으로 만들어졌습니다.

새로운 판에 국산화 모멘텀까지…

작년 7월, 일본이 한국에 대한 수출 규제를 강화한 3개 품목 가운데 중에서도 EUV 포토레지스트는 정확히 국내 반도체 산업을 겨냥한 것이었습니다. 당시 한국무역협회 기준 포토레지스트는 일본산이 92%에 달했습니다. 물론, 이후 같은 해 12월에는 일본 경제산업성이 EUV용 포토레지스트에 대해 수출심사와 승인 방식을 개발허가에서 덜 엄격한 특정포괄허가로 변경하기는 했지만, 그 기간 중 국내 반도체 소재 기업들도 1년 만에 성과를 보였습니다.

EUV 포토레지스트는 특히 삼성전자의 차세대 반도체 공정인 평택 라인에 투입되는 소재이기 때문에 향후 국산화 시기가 주목됩니다. SK머티리얼즈는 불화아르곤(ArF) 포토레지스트 생산시설을 내년 준공하는 것을 목표로 하고 있고, 삼성전자와 SK하이닉스 EUV용 포토레지스트 개발을 개시했습니다. 동진쎄미켐 또한 올해 초 불화아르곤 포토레지스트 공장 증설을 확정했고, EUV용 포토레지스트를 개발 중입니다.

EUV 포토레지스트는 아직 국산화 성공 사례가 없어 여전히 일본 기업에 의존해야 하는 상황이고, 초기 전문가 의견에 따르면 국산화에는 5년이 걸릴 것이라고 전망했습니다. 하지만, 한국 국산화의 성과로 2년 정도로 상용화 시기가 압축된 것은 긍정적입니다. 뿐만 아니라, EUV는 기존과는 달리 개발되어야 하는 '새로운 판'이기 때문에 향후 블랭크마스크, 펠리클 부문 등에서 국내 기업들의 선전이 기대됩니다.

출처 : 미래에셋대우 웹진

기고 : 글로벌주식컨설팅팀 한종목 매니저