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삼성전자가 10나노 로직 칩 양산에 들어갔다. 작년 1분기 실적발표 컨퍼런스콜에서 올해 하반기나 연말에 10나노 핀펫 공정 칩 양산에 들어가겠다고 밝힌 바 있고 올해 들어서도 다양한 공정 적용을 위해 반도체 설계 자동화(Electronic Design Automation, EDA) 툴 제공을 받아왔다.

10나노 공정은 이머전(Immersion, 액침) 불화아르곤(ArF) 기술 노광 장비를 그대로 쓴다. 회로를 그려 넣는 패터닝만 세 번 연달아 하는 ‘트리플패터닝’으로 한계를 극복했다. 문제는 패터닝이 늘어날수록 비용이 높아지는 구조에 있다. 이를 해결하기 위해서는 극자외선(Extreme Ultra Violet, EUV) 장비의 도입이 필수적이지만 적어도 7나노 초반까지도 현행 이머전 ArF 기술이 사용될 전망이다.

EUV 장비 도입을 두고 업계의 전망은 다소 엇갈리고 있다. 일각에서는 10나노가 7나노로 진입하기 위한 징검다리 역할에 불과하다고 주장하지만, 다른 한편에서는 EUV 장비의 도입이 지지부진한 상황이라 안정된 기술을 바탕으로 하는 10나노가 오랫동안 사용되리라는 분석을 내놓고 있다.

일단 삼성전자는 10나노가 가장 효율적이라는 입장이다. 삼성전자 허국 상무는 지난 2분기 실적발표 컨퍼런스콜에서 “전체 트렌드로 보면 10나노가 가장 효과적이고 상용화에 적합한 공정”이라며 “7나노는 언제든지 시제품을 내놓을 준비가 되어 있다. 문제는 상용화 시기이며 EUV는 7나노 도입하는 시점에 맞춰서 시작하겠다”고 설명했다. 10나노는 물론이고 초기 7나노까지 EUV 기술과 함께 사용하겠다는 얘기다.

10나노에서 EUV 장비를 쓰지 않기로 한 것은 삼성전자뿐 아니라 TSMC도 마찬가지다. 이머전 ArF와 EUV를 혼용해 사용하는 일종의 하이브리드 장비를 활용하는 셈이다. 다만 7나노에서 EUV 기술을 접목한다고 하더라도 양산능력, 바꿔 말하면 가격 대비 성능이 만족스럽지 않다면 10나노의 생명이 그만큼 더 길어지게 된다. 10나노가 28나노처럼 오랫동안 사용될 미세공정이 될 가능성도 충분하다. 물론 7나노로 빨리 넘어갈 수만 있다면 14나노가 메인스트림 역할을 대신할 수 있을 것으로 보인다.

EUV 장비를 개발하고 있는 네덜란드 ASML의 한국 법인장을 맡고 있는 김영선 사장은 “EUV 장비는 2018년부터 본격적으로 사용되리라 본다”며 “28나노, 14나노, 7나노 3개의 축이 기본이 될 것이고 10나노는 일종의 디딤돌 역할에 의미가 있다”고 강조했다.

업계에서는 EUV가 이머전 ArF 기술을 넘어서기 위해서는 광원의 출력 부족, 여러 번 빛을 반사시킬 때 필요한 마스크의 재료적 한계, 부족한 일 웨이퍼 처리량 등을 해결해야 한다고 입을 모은다. 삼성전자는 7나노에 EUV 장비를 본격적으로 도입할 경우 포토마스크의 수를 80장에서 60장으로 줄일 수 있을 것으로 예상하고 있다.

한편 14나노 LPP에서 10나노 LPE·LPP로의 전환이 이뤄지면 성능은 10~20% 높아지고, 다이면적은 32% 줄어든다. 삼성전자 10나노 공정에서 3대 EDA 업체 가운데 하나인 시높시스는 반도체 제조의 핵심인 노광 공정에서 빛의 파장과 설계 패턴상 차이를 보상해주는 광학근접보정(Optical Proximity Correction, OPC) 툴의 조정에서도 긴밀한 관계를 이어갈 것으로 보인다.

삼성전자도 파트너사와의 협업을 통해 10나노 공정의 디자인 설계 툴을 검증하고 제품을 개발하는 데 도움을 주는 제품 레벨 디자인 키트와 설계자산(IP) 디자인 키트를 제공하는 등 위탁생산(파운드리) 생태계 확대해 나가고 있다고 덧붙였다.

◆반도체 노광 공정이란?=포토 리소그래피(Photo Lithography)라 부르는 노광(露光) 공정은 웨이퍼에 회로 패턴을 형성하는 핵심 요소다. 수십 년간 반도체 산업이 발전할 수 있었던 배경은 칩의 회로 선폭을 꾸준하게 좁혀온 덕분이다. 그동안 G-라인(436nm), H-라인(405nm), i-라인(365nm)에서 불화크립톤(KrF, 248nm), 불화아르곤(ArF, 193nm)으로 진화했으며 지금은 이머전(Immersion, 액침) ArF가 가장 널리 쓰이고 있다. ASML은 ArF보다 빛 파장이 짧은(13.5nm) 극자외선(Extreme Ultra Violet, EUV) 노광 장비를 주도적으로 개발하고 있는 기업이다.

<이수환 기자>shulee@insightsemicon.com