 |
| (서울=뉴스1) 안은나 기자 = 윤석열 대통령과 빌럼 알렉산더르(Willem Alexander) 네덜란드 국왕이 12일(현지시간) 벨트호벤 반도체 장비기업 ASML 본사에서 열린 한-네덜란드 첨단반도체 협력 협약식에서 경계현 삼성전자 사장과 피터 베닝크(Peter Wennink) ASML 회장의 차세대 반도체 제조기술 R&D센터 설립 MOU 체결을 지켜보며 손뼉치고 있다. (대통령실 제공) 2023.12.13/뉴스1 Copyright (C) 뉴스1. All rights reserved. 무단 전재 및 재배포, AI학습 이용 금지. |
세계 유일의 극자외선(EUV: Extreme Ultra Violet) 노광(리소그라피: 사진촬영술) 장비 생산업체인 ASML이 어떤 기술력을 가진 기업이길래 계약관계상 약자인 '을'(장비공급업체)임에도 불구하고 그 앞에 전세계 반도체 제조기업들이 줄을 섰을까. '수퍼을' ASML의 A부터 Z까지 파봤다.
삼성과 ASML, 10년의 데자뷔
#1. 지난 12일(현지시간) 오후 네덜란드 벨트호벤에 위치한 ASML 본사.
경계현 삼성전자 사장(DS부문장)은 피터 베닝크(Peter Wennink) ASML 회장과 초미세 공정을 공동 개발하는 반도체 공정 기술협력 협약서(MOU)에 서명했다.
현재 5나노미터(nm)까지 진화해온 EUV 기술을 2나노 이하까지 더 진화시키기 위해 양사가 1조원을 들여 '차세대 반도체 제조기술 R&D(연구개발)센터'를 국내에 설립키로 한 것이다. 이 자리에는 윤 대통령과 함께 빌럼 알렉산더르 네덜란드 국왕, 이재용 삼성전자 회장 등이 함께 했다. 여기까지 오기까지 10여년간의 긴 스토리가 있다.
#2. 2012년 8월 27일 삼성전자 서초사옥.
삼성전자 경영위원회에 참석한 권오현 당시 부회장(대표이사)은 깊은 고민에 빠졌다. 네덜란드 반도체 장비 업체 ASML이 1조원을 넘어서는 지분 및 기술개발 투자를 요청한 것에 대한 가부결정을 해야했기 때문이다.
당시 ASML이 투자를 요청한 이유는 반도체 미세회로 공정 기술(ArFi: 불화아르곤 이멀전 리소그래피)의 차세대 버전인 EUV 장비를 개발하기 위해서였다.
반도체 기술경쟁의 승패는 한장의 웨이퍼(원판) 위에서 누가 더 미세한 칩을 설계해 더 많은 칩을 생산하느냐에 따라 갈린다. 그 핵심이 반도체 전공정의 약 60%를 차지하는 노광기술이어서 반도체 생산기업들이 여기에 목을 매는 것이다.
ASML은 당시 삼성전자 뿐만 아니라 전세계 반도체 1위인 인텔과 파운드리 1위 업체인 TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)에게도 투자를 제안했다. 약 25%의 지분 인수와 공동연구개발비를 투자해달라는 제안이었다. ASML은 여기서 조달한 약 7조 3000억원의 자금(아래 표 참조)을 7나노 이하 EUV 첨단 장비 개발을 위해 썼다.
 |
#3. 2014년 1월 이 자금을 바탕으로 ASML은 네덜란드과학연구기구(NWO), 물질기초연구재단(FOM), 암스테르담대학, 암스테르담자유대학과 함께 나노리소그래피 고급연구센터(ARCNL: Advanced Research Center for Nanolithography)를 설립했다. 1980년대부터 EUV 기술개발에 대한 학술적 연구는 진행됐지만 대량양산용 EUV 광원 개발은 이 때부터 본격화됐다.
2006년 첫 EUV 프로토타입 장비를 시작으로 2010년 TWINSCAN NXE:3100이라는 첫 테스트용 장비를 공급했지만 대규모 양산에 투입하기에는 검증과정이 필요한 상황이었다. 제대로 된 대량 양산용 EUV 장비가 처음 출시된 것은 그로부터 수년 뒤인 2017년 TWINSCAN NXE:3400B가 나왔을 때다.
 |
| 이재용 삼성전자 부회장이 2022년 6월 14일(현지시간) 네덜란드 벨트호벤의 ASML 본사에서 피터 베닝크 ASML CEO(왼쪽), 마틴 반 덴 브링크 ASML CTO(오른쪽)와 기념사진을 촬영하고 있다. /사진제공=삼성전자 |
해가 지고 어둠이 밀려온 삼성전자 사옥 앞에는 10여명의 외국인을 태운 리무진 버스 한대가 정차했다. 그 버스 앞 안내판에는 'ASML'이라는 네글자만 덩그러니 붙어 있었다.
이날 삼성전자를 방문한 인물들 중에는 지난 12일 네덜란드 현지에서 경계현 사장과 MOU를 체결한 피터 베닝크 ASML 경영이사회(Board of Management) 회장도 포함돼 있었다. 베닝크 회장 외에 헤라르트 클레이스테를레이(Gerard J. Kleisterlee) 감독이사회(Supervisory Board) 의장 등 10여명의 ASML 핵심 경영진들이 삼성전자를 방문했다.
ASML은 매년 자사 노광장비를 구매한 기업이 있는 국가들을 돌면서 자사의 이사회 행사를 여는 관행이 있었다. 한국·미국·대만·중국 등이 고객 국가인데 2016년에는 한국을 방문해 이사회를 하고, 삼성전자 사업장 방문과 경영진 면담을 진행했다. 특히 이 시점은 ASML에게는 중요한 시기였다. 제대로 된 13.5나노의 대량 양산 EUV 장비 투자를 결정해야 하는 시기였다.
당시 ASML의 감독이사회는 경영이사회가 밀어붙이는 양산용 EUV 첨단 공정 개발이 시장성이 있는지에 의문을 품었었다. 그 의문을 해소하기 위해 대형 바이어인 삼성전자를 찾아와서 실제 자신들이 장비를 개발하면 삼성이 EUV 장비를 채용할 의지가 있는지를 점검했다.
당시 이재용 부회장(현 회장)과 삼성전자 경영진들과 3시간 가량의 저녁식사를 포함해 심도 있는 논의를 한 끝에 ASML 감독이사회는 경영이사회의 결정대로 차세대 EUV 투자를 승인했다는 게 사안에 밝은 관계자의 설명이다.
그로부터 얼마 지나지 않은 2017년 ASML은 HVM(High Volume Manufacturing) 첫 제품인 'TWINSCAN NXE:3400B'를 출시해 고객사에 전달하게 된다. ASML은 이 시기부터 본격적인 성장세를 타며 EUV 장비를 통한 수익성 확보에 나서게 됐다.
 |
| ASML의 첫 대량 양산용 EUV 장비인 TWINSCAN NXE:3400B/사진=ASML |
EUV 빛은 어떻게 만들어지나ASML은 빛을 빚어내는 기업이다.
반도체 제조 공정별로 보면 ▷웨이퍼 제조 ▷산화공정 ▷포토공정(감광, 노광, 현상) ▷식각공정 ▷증착&이온주입 공정 ▷금속배선 ▷EDS(검사)공정 ▷패키징 공정 등 크게 8가지 공정이 있다. 이 가운데 포토공정이 60%를 차지할 정도로 비중이 높고, 전체 라인 건설비의 30~40%를 차지할 정도다.
반도체가 빛의 예술인 이유다. 반도체는 '빛'이라는 붓으로 웨이퍼 위에 똑같은 그림을 여러장 동시에 그리는 빛의 예술이다. 얼마나 얇고 가는 붓으로 그림을 정교하게 그리느냐에 따라 생산성에 격차가 날 수밖에 없다. 붓의 굵기는 빛의 파장과 같은데, 파장이 짧을수록(적외선에서 자외선쪽으로 갈수록) 더 가는 붓이라고 보면 된다. 공정자체는 필름카메라로 사진을 찍고 현상하는 것과 비슷하다.
광원에서 나오는 빛 아래에 마스크라는 반도체 설계도를 넣고 그 아래에 렌즈를 통해 감광액이 묻어 있는 웨이퍼에 빛을 쪼이는 식이다.( 아래 그림 참조) 마스크의 회로가 볼록렌즈를 통해 축소되서 웨이퍼 위에는 작게 그려지게 된다.
 |
| /사진제공=삼성반도체이야기 |
인간이 빛을 만들 수 있는 방법은 3가지다. 첫번째가 불을 지펴서 내는 방법이다. 이를 열방사라고 한다. 태양에서 오는 빛이나 장작을 태울 때 나오는 빛이 그것이다. 백열전구도 열방사다.
두번째는 가스 속에 방전을 일으켜 이온화된 플라즈마 상태를 만들어 빛을 내는 방식이다. 기체가 외부로부터 충격을 받아 불안정한 들뜬 상태가 되면 안정된 원상태로 돌아가려는 경향이 있다. 되돌아가는 순간 에너지를 내놓게 되는데 이 때 빛(전자기파)이 나온다. 형광등이나 할로겐 램프가 이런 형태다.
세번째로 빛을 만드는 방법은 고체발광 방식으로 금속반도체인 LED에 전류를 흘려 빛을 내는 것이다. p-n 접합 반도체 소자에 전압을 가하면, 정공(플러스)과 전자 (마이너스)는 p-n 접합을 위해 이동해 결합 후 소멸하는데, 이때 발생하는 여분의 에너지가 빛으로 변환된다.
가스방전으로 만드는 반도체 제조용 빛
 |
| /사진제공=ASML 반도체 이야기 |
초기 반도체 노광기술에 쓰였던 광원은 수은(Hg) 증기램프다. 램프 속에 든 수은증기 속으로 전압을 가하면 방출된 전자가 수은 원자에 충돌해 수은을 플라즈마 상태를 만들게 되고, 불안정해진 수은이온이 제자리로 돌아가는 안정화 과정에서 빛이 나온다. 램프 내의 수은 원자의 함량이나 압력 등에 따라 g선, h선, i선 등을 방출해 노광에 사용된다.
노광기술은 수은 다음으로는 KrF(불화크립톤) 엑시머 레이저로 진화했다. KrF 엑시머 레이저는 진공으로 된 용기 내에 크립톤(Kr)과 플루오린(F)의 원자를 고압으로 충전한 후 전압을 가해 방전을 일으키는 방식이다. 방전 과정에서 두 원자핵이 충돌해 서로 결합해 KrF 분자를 형성하는데 이 KrF 분자는 불안정해 다시 원자 상태로 돌아가기 위해 빛 에너지를 방출한다. 이 에너지는 파장이 248nm인 자외선으로 KrF 광원인 엑시머 레이저다. 1990년대 반도체 노광공정 광원의 대부분을 차지했다.
 |
ArFi로 불린 이 기술은 포토공정에서 렌즈와 웨이퍼 사이의 공간에 물을 채워 빛의 굴절률을 높임으로써 더 미세한 공정을 할 수 있도록 한 방법이다.
하지만 산업계는 10나노 이하의 더 미세한 공정을 위해 새로운 광원이 필요했고, 자외선(UV: Ultra Violet) 영역을 벗어난 극자외선(EUV)에서 길을 찾기 시작했다. 여기에 성공한 기업이 지금의 ASML이다.
빛을 빚어내는 '신의 기술'
 |
| 초당 70미터 속도로 떨어지는 용융 주석(Sn)에 CO2 레이저를 조사해 EUV 광원을 만드는 과정. /사진제공=ASML |
EUV 빛을 빚어내는 방법은 이렇다. 눈에도 보이지 않는 인간 세포크기(20미크론)의 주석(Sn) 방울이 진공 챔버 안에서 아래로 떨어질 때 저강도 CO2 레이저로 한번 쏴 주석방울을 팬케이크처럼 납작하게 펴고, 편평해진 주석방울에 더 강력한 레이저를 쏴 이를 기화시키면 주석의 외곽전자가 들뜬 상태가 되면서 플라즈마가 발생하고, 불안정해진 전자가 제 위치로 되돌아갈 때 EUV 빛을 내놓는다.
 |
| 나노리소그래피 고급연구센터(ARCNL: Advanced Research Center for Nanolithography)에서 촬영한 주석 방울이 CO2 레이저에 맞아 팬케이처름 퍼지는 모습. 왼쪽 사진의 왼쪽은 레이저를 맞은 후 주석방울의 정면, 왼쪽 사진의 오른쪽은 레이저를 맞기 전 주석방울 원형 모습. 오른쪽 사진의 오른쪽은 레이저를 맞기전 주석 방울의 측면, 오른쪽 사진의 왼쪽은 레이저를 맞은 후 팬케잌처럼 퍼진 주석방울의 옆면 사진 /사진제공=ARCNL |
 |
| ASML EUV 진공챔버 내 노광과정. 오른쪽 아래에서 나온 EUV 광원은 위쪽 미러블록과 아래쪽 미러블록을 거치면서 집광된 후 위쪽 마스크(좌우로 움직이는 물체)에서 회로 정보를 받은 후 다시 미러블럭을 거쳐 하단의 웨이퍼(움직이는 원판)에 패턴을 그리게 된다./사진제공=ASML |
미러블록을 지구와 같다고 하면 가장 높은 산의 높이가 9cm 이하여야 할 정도로 매끄러운 거울렌즈다. 그래야만 EUV 빛을 잡음없이 잘 모을 수 있다. 이 미러블록은 세계 최고 렌즈 업체인 독일의 칼 자이즈(Carl Zeiss)사가 ASML과의 20년간의 협력을 기반으로 완성한 것이다.
빛이 미러를 통해 모아진 후 마스크를 통과해 웨이퍼에 조사될 때 웨이퍼가 자리잡고 있는 '웨이퍼 테이블'의 정확도는 60피코미터(pm,실리콘의 원자크기보다 작음)로 초당 2만번 위치를 측정해 오류를 줄이고 있다. 마스크는 초당 최대 150미터로 움직이는데, 이는 자동차가 단 0.1초 만에 0km/h에서 100km/h까지 가속하는 것과 같다.
비행기가 이륙할 때의 가속도보다 훨씬 높은 5g(지구 중력의 5배)와 15g로 반대방향으로 가속할 때 웨이퍼와 마스크의 움직임을 나노미터 및 나노초 단위로 동기화하는 기술력을 담고 있다.
 |
| 300mm 웨이퍼를 얹은 웨이퍼 테이블이 노광을 위해 끊임없이 움직이고 있다./사진제공=ASML |
대당 5000억원...이제는 2나노 EUV 개발 진행 중
 |
| ASML의 핵심협력 파트너들/사진제공=ASML |
2013년에는 EUV 개발에 박차를 가하기 위해 미국 샌디에이고에 본사를 둔 리소그래피 광원 제조업체인 싸이머(Cymer)를 9억5000만 유로(약 2조8000억원)에 인수했다. 당시 'ASML'은 노광장비 시장에서 세계 1위(72%)를, 'Cymer'는 리소그래피 레이저 시장에서 세계 1위(83%)를 기록하던 기업이다. 싸이머는 EUV 광선의 출력과 안정성을 높이는 기술과 광선의 굴절, 회절 반사 등을 정밀하게 제어하는 세계적인 업체였다.
싸이머는 렌즈업체인 칼 자이즈와 함께 ASML의 비상에는 없어서는 안되는 두 날개다. 이 두 회사가 ASML EUV 장비 핵심 기술의 약 60%를 차지한다고 할 수 있다. 이들 외에 ASML의 핵심협력파트너로는 TNO(국가응용과학연구소), ARCNL, UC샌디에이고, 일리노이대학, 브라운호프 등이 있다.
 |
ASML은 2020년초에 EUV의 대량 생산에 돌입해 지난해 40대에 이어 올해도 3분기까지 40대의 EUV를 이미 판매했다. 이를 통해 올해 1~9월까지의 매출은 144억 유로, 영업이익은 49억 유로를 기록 중이다. 이제는 대당 5000억원에 달하는 차세대 EUV 개발을 진행하고 있다.
ASML이 K반도체에 던지는 메시지는?
 |
ASML은 TWINSCAN NXE:3400B에 이어 2019년 7나노와 5나노 공정을 통해 시간당 170장의 웨이퍼를 처리할 수 있는 TWINSCAN NXE:3400C, 최근엔 5나노와 3나노 로직공정으로 시간당 160장 이상 가공할 수 있는 TWINSCAN NXE: 3600D까지 내놓은 상태다.
지난해 ASML의 연간보고서에 기재된 판매대수와 판매금액을 통해 계산한 EUV 장비 1대당 가격은 한화로 2400억원 정도(계측&검사 장비까지 합쳐면 3000억 정도)다. 판매대수로 가장 많이 팔리는 KrF 장비(대당 약 150억원)보다 20배 가량 비싸다.
사실 1990년대만 하더라도 전세계 노광장비 시장은 ASML 외에 일본의 캐논과 니콘, 미국 어플라이드 머티리얼즈(AMAT) 등이 각축을 벌이던 춘추전국시대였다. 미국이 반도체 패권을 쥐고 있던 1970년대에는 물론 미국 기업인 AMAT가 절대 강자였다.
일본이 메모리 시장을 주도하던 1980년대에는 일본 캐논의 노광기 시장 점유율이 40%, 니콘이 20%로 일본이 장악했고, 그 뒤를 AMAT가 15%, ASML은 5% 수준에 머물렀다. 하지만 2000년 들면서 ASML이 300mm 웨이퍼용 노광장비 시장에서 선전하며 천하통일에 들어갔다.
반도체 업계 관계자는 "NEC 등 일본 메모리 제조업체들이 1990년대 중반 한국에 밀려 경쟁력을 잃어가면서 캐논과 니콘은 카메라 시장 이나 복사기 시장 등 다른 분야에 집중한 반면 오직 반도체용 노광기만 집중하던 ASML은 한우물을 파면서 이 분야의 강자로 올라설 수 있게 됐다"고 말했다.
 |
| 일본 노광장비 업체인 캐논이 EUV 방식이 아닌 스탬퍼를 눌러서 반도체 회로를 그리는 나노임프린터(imprint) 방식의 라소그래피 장비인 FPA-1200NZ2C를 조작하고 있는 모습/사진제공=캐논 |
ASML은 3나노까지 진화한 기술을 2나노 이하까지 더 발전시키기 위해 NA(렌즈 개구수: 클수록 해상도가 높음)를 현재의 0.33에서 0.55로 높이는 제품을 2025년까지 개발하겠다는 목표를 세우고 총력을 기울이고 있다. 이 장비가 출시될 경우 가격은 1대당 5000억원에 달할 것이라는 관측이 나온다.
기술경쟁에서 밀린 일본 캐논은 방식을 달리 해 스탬퍼로 회로를 눌러서 찍듯하는 방식의 나노임프린터(imprint: 위 사진) 방식으로 2나노 미세회로 공정개발에 나설 것이라고 하고 있다.
미국으로부터 기술 제재를 받고 있는 중국은 입자가속기(싱크로트론)를 기반으로 한 EUV 광원 개발에 몰두하고 있다. 지난 9월 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP)에 따르면 중국 칭화대 연구진은 싱크로트론을 활용해 X선에서 EUV까지 새로운 광원을 만드는 SSMB(Steady-State MicroBunching) 프로젝트에서 성과를 냈다. 전자가 자기장을 따라 고속의 입자 가속기 내에서 빠르게 운동하면서 고에너지를 갖게 되는데 이 광자에서 EUV 파장을 확보하는 방식이다. 이 연구를 바탕으로 중국 슝안신구 당국과 칭화대는 둘레 100~150m의 싱크로트론을 건설할 부지를 논의 중이다.
이런 상황에서 우리나라의 노광기술 국산화율은 거의 제로에 가깝다.
왜 우리는 삼성전자 (76,700원 ▲400 +0.52%)와 SK하이닉스 (177,800원 ▲7,200 +4.22%)와 같은 대규모 반도체 제조업체를 갖고 있으면서도 ASML과 같은 기업을 가지지 못하는 것일까.
30년 전 주성엔지니어링을 창업하기 전 한 때 ASM(ASML의 전신)에 근무했던 황철주 회장은 "ASML은 혁신을 하기 위해 협력업체와 함께 성장하는 것을 목표로 한다. 협력업체를 비용절감의 대상으로 삼는 것이 아니라 동반성장의 파트너로 키운다. 그러다보니 세계적인 장비업체가 되는 것"이라고 말했다. ASML의 경쟁력이 칼 자이즈나 싸이머, HMI 등 파트너의 경쟁력을 합한데서 나오기 때문이다.
반도체 생태계 내에서 국내 기업들끼리 서로 신뢰하고 상호 협력해 혁신기업에 가치를 부여하는 것만이 대한민국에서도 ASML과 같은 기업이 생겨날 수 있는 길이라고 덧붙였다.
ASML이 30년 전부터 한 분야에 집중해 협력업체들과 지속적인 혁신을 해왔던 것처럼 우리 반도체 생태계도 공동연구 등에 힘을 모아 세계적인 장비 기업을 육성하는 협력시스템을 하루빨리 구축해야 한다고 강조했다.
ASML은…한편 ASML은 1984년 네덜란드 벨트호벤에 본사를 두고 있는 세계 최대 노광장비 회사로 네덜란드 필립스와 ASMI의 합작으로 설립됐다. 현재 종업원 약 3만 9000여명이 전세계 60여개 지역에서 일하고 있다. 지난해 매출 은 212억 유로, 영업이익은 73억 유로를 기록했다.
시가총액은 2918억달러(한화 약 380조원, 12월 20일 종가기준)으로 삼성전자(446조 5397억원)에 근접하고 있다. ASML의 지난해 매출(약 28조원)이 삼성전자(304조원)의 10분의 1에 불과하지만 시가총액은 85%수준까지 오를 정도로 높은 가치를 인정받고 있다.
국내에는 2022년 경기도 화성시의 동탄2신도시에 ASML 아시아 본부와 연구소 등을 짓고 있다. ASML코리아는 1996년 설립돼 현재 2000명 이상이 4곳의 사무실에 일하고 있다. 지사장은 이우경 사장이다.
!["80층?..20층부터 고비"…123층, 2917개 계단 올라보니[르포]](https://thumb.mt.co.kr/11/2024/04/2024042021544730295_1.jpg/dims/resize/100x/optimize/)
![[단독]무산된 롯데의 꿈…중국 선양 롯데타운 매각](https://thumb.mt.co.kr/11/2024/04/2024042509595175843_1.jpg/dims/resize/100x/optimize/)
![학교 운동장에 56m '초대형 김구' 그림, 그린 이유가…[인류애 충전소]](https://thumb.mt.co.kr/10/2024/04/2024042211365743544_1.jpg/dims/resize/100x/optimize)
!["학생 10명 거품 물고 쓰러져"…비극으로 끝난 '우정 여행'[뉴스속오늘]](https://thumb.mt.co.kr/10/2023/12/2023121717255330052_1.jpg/dims/resize/100x/optimize)
![지코·제니, 차트 휩쓸고 뉴진스 온다..하이브·민희진 갈등 영향 無[★FOCUS]](https://menu.mt.co.kr/upload/main/2024/2024042623441495331103_mainTop.jpg)
![미국 대선, 6개주만 보면 답 나온다 [PADO 편집장의 '미국 대 미국']](https://i4.ytimg.com/vi/7kc1ddGnWtE/hqdefault.jpg)
