4강. EUV 리소그래피란 무엇인가? 반도체 3nm·2nm 공정의 핵심 기술
EUV 리소그래피란 무엇인가? 반도체 핵심 기술
스마트폰, 서버, GPU와 같은 전자기기에 들어가는 반도체는 매 세대마다 더 많은 트랜지스터를 더 작은 공간에 집적하는 방향으로 발전해 왔습니다. 1μm 수준에서 시작했던 반도체 미세공정은 수십 nm를 거쳐 7nm, 5nm, 3nm 수준까지 발전했고, 이제는 2nm급 공정이 중요한 기술 경쟁의 무대가 되고 있습니다.
그런데 트랜지스터를 계속 작게 만들기 위해서는 단순히 실리콘을 정밀하게 깎는 것만으로는 부족합니다. 웨이퍼 위에 훨씬 더 작은 회로 패턴을 정확하게 그려내는 기술이 필요합니다.
이 역할을 담당하는 핵심 기술이 바로 EUV 리소그래피(Extreme Ultraviolet Lithography)입니다.
EUV 리소그래피는 13.5nm 파장의 극자외선을 이용해 반도체 회로 패턴을 웨이퍼에 전사하는 기술입니다. 2024년 Nature Reviews Methods Primers에 실린 EUV 리소그래피 종합 리뷰에서도 EUV가 첨단 반도체의 지속적인 미세화를 위한 핵심 노광 기술로 자리 잡았다고 설명합니다.
왜 빛의 파장이 짧아야 더 작은 회로를 만들 수 있을까?
반도체 제조에서 회로를 그리는 과정은 사진을 확대하거나 축소하는 것과 비슷한 원리를 이용합니다.
하지만 빛을 이용해 아주 작은 패턴을 만들 때는 물리적인 한계가 존재합니다.
일반적으로 광학 리소그래피의 해상도는 빛의 파장(λ)과 수치개구수(NA)의 영향을 받습니다.
대표적으로 다음과 같은 관계로 설명할 수 있습니다.
CD ≈ k₁ × λ / NA
여기서 CD는 형성할 수 있는 회로의 임계 치수, λ는 사용하는 빛의 파장, NA는 렌즈 또는 광학계가 빛을 받아들이는 능력을 나타냅니다.
따라서 더 작은 회로 패턴을 만들기 위해서는 크게 두 가지 방법을 생각할 수 있습니다.
① 파장을 더 짧게 만든다.
② NA를 높인다.
과거에는 193nm ArF 광원을 사용한 DUV 리소그래피가 중요한 역할을 했습니다. 그러나 반도체 회로가 나노미터 수준으로 작아지면서 더 짧은 파장의 빛이 필요해졌고, 그 결과 등장한 것이 13.5nm EUV입니다. 최근의 리소그래피 발전 과정에서도 193nm에서 13.5nm로 파장이 크게 줄어들면서 나노미터급 패턴 형성이 가능해졌습니다.
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EUV는 기존 DUV와 무엇이 다를까?
EUV를 이해하려면 먼저 기존 DUV 리소그래피와 비교해 볼 필요가 있습니다.
DUV는 Deep Ultraviolet, 즉 심자외선을 의미합니다.
대표적으로 193nm ArF 광원이 사용되어 왔으며, 렌즈를 이용해 빛을 웨이퍼에 집중시킵니다.
반면 EUV는 13.5nm라는 훨씬 짧은 파장을 사용합니다.
그런데 여기에는 매우 중요한 문제가 있습니다.
EUV 빛은 대부분의 물질에 쉽게 흡수됩니다.
따라서 일반적인 유리 렌즈를 통과시키는 방식으로는 EUV 빛을 웨이퍼까지 전달하기 어렵습니다.
그래서 EUV 장비에서는 일반적인 렌즈 대신 특수한 다층 반사 거울을 사용합니다. 또한 EUV가 공기에서도 쉽게 흡수되기 때문에 광학계는 진공 환경에서 작동합니다. ASML의 설명에 따르면 EUV 시스템은 100개 이상의 층으로 구성된 다층 거울을 사용하며, 거울 표면은 원자 수준의 정밀도로 제작됩니다.
이 때문에 EUV 장비는 단순한 노광장비가 아니라 초정밀 광학·진공·플라즈마·재료·제어 기술이 결합된 거대한 시스템이라고 할 수 있습니다.
EUV 리소그래피는 어떻게 작동할까?
EUV 공정의 기본 흐름은 다음과 같습니다.
EUV 광원 → 반사형 광학계 → 포토마스크 → 투영 광학계 → 웨이퍼
먼저 EUV 광원이 13.5nm 파장의 빛을 만들어냅니다.
그다음 특수한 반사 거울을 이용해 빛의 경로를 제어합니다.
이 빛은 회로 패턴이 들어 있는 포토마스크(레티클)에 반사됩니다.
EUV에서는 빛을 통과시키는 일반적인 마스크가 아니라 반사형 마스크를 사용한다는 점이 중요합니다.
마스크에서 반사된 빛은 다시 투영 광학계를 거쳐 웨이퍼 위에 축소되어 투영됩니다.
웨이퍼에는 빛에 반응하는 포토레지스트(Photoresist)가 도포되어 있습니다.
빛을 받은 레지스트의 화학적 특성이 변하고, 이후 현상 과정을 거치면서 원하는 회로 패턴이 만들어집니다.
그 후 식각 등의 공정을 통해 실제 반도체 재료에 패턴을 전사합니다.
이 과정이 반복되면서 트랜지스터와 배선이 층층이 만들어집니다.
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EUV의 핵심 구성 요소
EUV 리소그래피를 구성하는 기술은 크게 여러 부분으로 나눌 수 있습니다.
EUV 광원
EUV 장비에서 가장 먼저 필요한 것은 13.5nm 파장의 빛입니다.
상용 EUV 시스템에서는 고출력 광원을 이용해 필요한 EUV를 만들어냅니다.
이 과정 자체가 매우 복잡하기 때문에 높은 출력과 안정적인 광원을 확보하는 것이 EUV 장비 성능을 결정하는 중요한 요소입니다.
반사형 광학계
EUV에서는 일반적인 렌즈 대신 거울을 사용합니다.
EUV 빛이 물질에 쉽게 흡수되기 때문입니다.
거울 하나하나가 매우 정밀하게 만들어져야 하며, 광학계의 작은 오차도 웨이퍼 위 회로 패턴에 영향을 줄 수 있습니다.
포토마스크
포토마스크에는 웨이퍼에 만들어야 할 회로 패턴 정보가 담겨 있습니다.
EUV에서는 반사형 마스크를 사용하기 때문에 마스크 자체의 구조와 결함 관리가 매우 중요합니다. Nature Reviews Methods Primers에서도 EUV 포토마스크가 반사형 다층 구조를 갖는다는 점을 설명합니다.
포토레지스트
포토레지스트는 빛에 반응하는 물질입니다.
EUV 빛을 받은 부분과 받지 않은 부분의 용해도 차이를 이용해 패턴을 형성합니다.
문제는 패턴이 작아질수록 감도, 해상도, 거칠기, 결함 사이의 균형을 맞추기가 어려워진다는 것입니다.
따라서 EUV 장비뿐만 아니라 새로운 레지스트 소재를 개발하는 기술도 매우 중요합니다.
High-NA EUV란 무엇인가?
EUV가 3nm 이하의 첨단 공정에서 중요한 역할을 하고 있지만, 더 작은 회로를 만들기 위해서는 파장만 줄이는 것에도 한계가 있습니다.
여기서 등장하는 것이 High-NA EUV입니다.
NA는 Numerical Aperture, 즉 수치개구를 의미합니다.
쉽게 말하면 광학계가 얼마나 넓은 각도의 빛을 받아들여 미세한 정보를 표현할 수 있는지를 나타내는 값입니다.
기존 EUV 시스템의 NA는 약 0.33입니다.
반면 High-NA EUV는 NA를 0.55까지 높입니다.
ASML은 High-NA EUV의 NA가 0.33에서 0.55로 증가했으며, 이를 통해 더 높은 해상도의 패턴 형성이 가능하다고 설명합니다.
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High-NA EUV가 2nm 공정에서 중요한 이유
High_NA_EUV_원리
High-NA EUV의 가장 중요한 특징은 더 높은 해상도를 이용해 한 번의 노광으로 더 작은 패턴을 형성할 수 있다는 점입니다.
ASML의 0.55 NA EXE 플랫폼은 8nm 수준의 해상도를 목표로 하며, 기존 0.33 NA EUV 시스템보다 한 번의 노광에서 더 작은 패턴을 형성할 수 있도록 설계됐습니다.
이것은 단순히 “더 작은 회로를 만든다”는 의미만 갖지 않습니다.
패턴이 작아지면 여러 번 나누어 노광해야 했던 공정을 줄일 가능성이 생깁니다.
즉,
더 높은 해상도
↓
더 적은 패터닝 단계
↓
공정 복잡도 감소
↓
생산성·수율 개선 가능성
이라는 연결이 가능합니다.
Nature Reviews Methods Primers 역시 High-NA 시스템을 EUV 리소그래피의 주요 미래 방향으로 설명하고 있습니다.
EUV에서도 해결해야 할 문제가 있다
EUV가 모든 문제를 해결해 주는 것은 아닙니다.
오히려 회로가 작아질수록 새로운 문제가 등장합니다.
대표적인 것이 stochastic effect, 즉 확률적 변동입니다.
아주 작은 영역에 매우 적은 수의 광자가 작용하기 때문에 노광 과정에서 미세한 변동이 발생할 수 있습니다.
이러한 변동은 회로 선폭의 거칠기나 미세한 결함으로 이어질 수 있습니다.
또한 포토레지스트는 높은 감도와 높은 해상도를 동시에 만족해야 합니다.
높은 감도를 확보하려면 적은 노광량으로 패턴을 만들어야 하지만, 해상도와 패턴 안정성 사이에서 새로운 문제가 발생할 수 있습니다.
따라서 EUV 기술의 발전은 단순히 광원이나 장비만의 문제가 아니라 광원 + 광학계 + 마스크 + 레지스트 + 식각 + 계측 기술을 함께 발전시키는 문제입니다.
EUV와 반도체 미세공정의 관계
2강에서는 반도체 트랜지스터가
Planar → FinFET → GAA
로 발전하는 과정을 살펴봤습니다.
그런데 새로운 트랜지스터 구조를 만들기 위해서는 복잡한 3차원 패턴을 웨이퍼 위에 정확하게 형성해야 합니다.
이때 EUV가 중요한 역할을 합니다.
즉, 트랜지스터 구조의 발전과 리소그래피 기술의 발전은 서로 분리되어 있는 것이 아닙니다.
더 작은 트랜지스터 구조
→ 더 정밀한 패턴 필요
→ 더 높은 리소그래피 해상도 필요
→ EUV
→ High-NA EUV
라는 기술적 흐름으로 연결됩니다.
이 때문에 EUV는 단순한 노광 장비가 아니라 첨단 반도체 미세화 전체를 뒷받침하는 핵심 제조 기술이라고 할 수 있습니다.
EUV는 왜 중요한가?
EUV의 중요성을 정리하면 네 가지로 볼 수 있습니다.
첫째, 13.5nm의 짧은 파장을 이용해 더욱 작은 회로 패턴을 만들 수 있습니다.
둘째, 반사형 광학계를 이용해 기존 DUV와 다른 방식으로 초미세 패턴을 형성합니다.
셋째, High-NA EUV로 발전하면서 더 높은 해상도의 패턴 형성이 가능해지고 있습니다.
넷째, 여러 패터닝 공정을 줄일 수 있다면 첨단 공정의 복잡성과 제조 부담을 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다.
2025년 Nature Reviews Electrical Engineering에서는 EUV 리소그래피의 높은 에너지 소비와 비용을 중요한 과제로 지적하면서, 보다 효율적인 EUV 시스템을 개발하려는 연구 방향도 소개했습니다.
따라서 앞으로의 EUV 경쟁은 단순히 “누가 더 작은 패턴을 만들 수 있는가?”를 넘어 “누가 더 빠르고 안정적이며 경제적으로 초미세 패턴을 생산할 수 있는가?”의 경쟁이 될 가능성이 높습니다.
마무리
EUV 리소그래피는 반도체 미세화의 핵심에 있는 기술입니다.
빛의 파장을 줄이면 더 작은 패턴을 만들 수 있다는 물리학적 원리에서 출발해, 오늘날에는 13.5nm EUV 광원과 초정밀 반사 거울, 반사형 포토마스크, 포토레지스트, 정밀 스테이지와 계측 시스템이 결합된 거대한 첨단 제조 시스템으로 발전했습니다.
특히 앞으로 2nm급 이하의 첨단 반도체에서는 High-NA EUV가 중요한 역할을 할 가능성이 큽니다.
하지만 EUV가 모든 것을 해결하는 것은 아닙니다.
더 작은 회로를 만들수록 레지스트의 한계, 확률적 결함, 마스크 결함, 오버레이, 생산성, 에너지 소비와 같은 새로운 문제가 등장합니다.
결국 반도체 미세화의 역사는 단순히 “나노미터 숫자를 줄이는 역사”가 아니라 빛과 물질을 얼마나 정밀하게 제어할 수 있는지를 끊임없이 발전시켜 온 역사라고 할 수 있습니다.
그리고 이 기술은 다음 단계인 2nm·1.xnm급 반도체와 GAA, 차세대 트랜지스터 구조로 이어집니다.
다음 5강에서는 바로 이 부분을 연결해 **「FinFET에서 GAA까지: 최신 트랜지스터 구조는 왜 바뀌는가?」**를 살펴보겠습니다.
핵심 키워드
EUV, EUV 리소그래피, EUV 노광, 극자외선, 13.5nm, High-NA EUV, 0.55 NA, 3nm 공정, 2nm 공정, 반도체 노광, 포토마스크, 포토레지스트, 반사형 광학계, 오버레이, 반도체 미세공정
참고문헌
- Kazazis, D. et al., Extreme ultraviolet lithography, Nature Reviews Methods Primers 4, 84 (2024).
- Shintake, T. & Naulleau, P., Low-cost energy-efficient EUV lithography for advanced semiconductor manufacturing, Nature Reviews Electrical Engineering (2025).
- Advancements and challenges in inverse lithography technology: a review of artificial intelligence-based approaches, Light: Science & Applications (2025).
- ASML, Lenses & mirrors — Lithography principles.
- ASML, EUV lithography systems / High-NA EUV.
유트
