[고영화의 중국 반도체] <5> 中 노광기 국산화, 반도체 굴기 '사활'<下>

<中 편에서 이어짐>

궈왕광학(国望光学, 비상장)은 베이징이좡국제투자가 2018년 6월 베이징에 설립했다. 중국과학원장춘광학기계연구소는 궈커정밀광학(CNEPO)을 궈왕과학의 100% 자회사로 편입시키는 대가로 궈왕광학의 지분 14.7%를 받았다. 노광기 대물렌즈모듈 (110/90/28nm)을 개발한다.

치얼기전(启尔机电, CHEER, 비상장)은 저장대학 유체동력및기전시스템실험실 출신 창업팀이 2013년 5월 항저우에 설립했다. 유체정화, 유체검사, 유체제어 기술을 보유하고 있으며, 28nm 노광기의 액침(Immersion) 시스템 개발을 담당한다.

동팡징웬(东方晶源, DJEL, 비상장)은 중국과학원마이크로전자연구소가 2014년 2월 베이징에 설립했다. 전자빔결함검사(EBI), 외관사이즈측정 (CD-SEM) 등 측정장비와 광근접보정(OPC, Optical Proximity Correction) 소프트웨어 기술을 보유하고 있으며, 28nm 노광기의 노광최적화(Computational Lithography) 소프트웨어 개발을 담당한다.

당초 28nm ArFi 액침노광기는 2020말 까지를 개발완료 시점으로 정했으나, 프로젝트 종료가 1년 연기 되었는데, 2021년 말에도 일부 중국 매체에 "28nm 국산 노광기 개발 실패" 라는 보도가 나왔을 뿐, 정식으로 개발이 완료되었다는 소식은 현재까지 발표되지 않고 있다.

[베이징=뉴스핌] 최헌규 특파원 = 2016년 4월, 칭화대 노광기 듀얼 마운트 개발현장. 뒤에 걸려있는 플랭카드의 "10년에 칼을 하나 갈고, 100일에 1 nm 줄이자(十年磨一剑，白天一纳米)"는 구호가 비장해 보인다 (출처: 팡정증권(方正证券), 2020.6). 2022.08.22 chk@newspim.com

◆ SMIC, 14nm DUV 노광기로 7nm 반도체 제조 성공?

지난 7월말, 여러 외신들이 세계 5대 파운드리 중국 SMIC(중신국제, 688981.SH)가 7nm 공정의 시스템온칩(SoC)을 중국 비트코인 채굴장비업체 마이너바 반도체에 공급했다고 보도했다. 그동안 SMIC는 중국 내 유일하게 14nm급 공장(상하이 8,9 공장)을 보유했고, 2018년 초부터 EUV 노광기(7nm 급)를 도입하려 했으나, 미국의 제재로 제약을 받고 있는 것으로 알려졌다.

중국은 EUV 노광기가 없기 때문에 DUV로 할 수 있는 모든 것을 시도해야 할 것이다. 현재 DUV 노광기의 광원은 193nm 에 불과하고, 이론적으로 20nm 이하 반도체를 만들 수 없다. 하지만 반도체 회로 패턴을 여러 면에 나눠 만드는 '멀티패터닝'(Multi-Patterning) 기술이 등장하면서 한계를 극복할 수 있게 되었다.

노광(Litho)과 식각(Etch)을 두번 거치면 앞 글자를 따서 'LELE'라고 부르고, 세번이면 'LELELE'로 부른다. 또한 자기정렬 4중 패터닝(SAQP, Self-Aligned Quadruple Patterning) 방법도 사용된다. 하지만 멀티 패터닝은 해상력을 극적으로 높일 수 있는 반면, 동시에 공정 수가 늘어나면서 그만큼 시간과 비용이 더 들어가는 단점도 가지고 있고, 공정의 복잡도가 높아져서 수율 또한 떨어지게 된다.

ASML에 따르면, ArFi 노광기로 싱글 패터닝을 했을 때의 비용(투자비, 운영비, 노광 및 소재 비용)을 100%로 가정하면, LELELE는 450% 이상, SAQP는 800%에 가까운 비용이 소요된다고 한다. EUV 장비를 활용하면 초기 투자비와 운영비가 ArFi 보다 많이 높지만, 패터닝 작업을 한 번만 하면 되기 때문에 원가는 ArFi 비용 대비 300% 이하로 내려간다는 분석이다.

정리하면, 14nm DUV 장비로 7nm 반도체를 제조할 수는 있다. 하지만 원가는 1.5~2.7배 소요되며 소요시간이 길어지고 생산수율이 크게 떨어질 것으로 예상된다.

[베이징=뉴스핌] 최헌규 특파원 = ArFi 멀티패터닝과 EUV 싱글패터닝의 비용 비교 (출처: ASML, 2015). 2022.08.22 chk@newspim.com

◆ '반도체 굴기' 중국은 희망이 있는가

노광기가 없으면 반도체를 제조할 수 없다. 7nm 이하 최첨단 반도체 제품을 만들려면 EUV 노광기가 필수적이다. 경과 과정으로 먼저 ArFi DUV 액침노광기 개발도 필요하다.

이런 상황에서 중국은 반도체 굴기를 완성하기 위해서는 노광기 국산화가 선택 사항이 아닌 필수사항이다. 특히 중국은 반도체 기술 도움을 받을 동맹이 하나도 없는 상황에서 모든 문제를 혼자 해결해야 하는 외로운 상황에 놓여있다.

중국 반도체 자립 가능성을 세계 최첨단 기술의 총아인 우주탐사 기술을 예로 들어 설명해보자. 미국은 2012년 8월 화성에 탐사선을 착륙시켰고, 로버가 화성표면을 여기저기 탐사하면서 토양샘플을 채취하고 있다. 최근 미국항공우주국(NASA)은 채취된 토양샘플을 2033년 지구로 가져올 계획이라고 발표했다.

한편 중국은 미국보다 9년 늦은 2021년 5월 탐사선을 화성에 착륙시켰고 탐사로버 '주룽'(祝融, Zhurong)호가 화성 토양샘플을 채취중인 것으로 알려졌다. 하지만 중국국가항천국(CNSA)은 최근 '주룽'이 채취한 토양 샘플을 미국보다 한 발 앞선 2031년 지구로 회수할 계획이라고 밝혀 세계의 주목을 끌었다.

실제 이런 상황이 현실화한다면, 미국 보다 근 10년이나 늦게 화성에 탐사선을 보낸 중국이 먼저 화성 토양 샘플을 분석하고, 화성 생명 존재의 비밀을 밝혀낼 수도 있다. 중국은 지금 반도체 기술 분야에서도 이런 반전과 추월을 기대하고 있을지 모른다.