삼성전자, EUV 미세공정 한계 돌파…PSM 도입 가속

삼성전자, EUV 미세공정 한계 돌파…PSM 도입 가속

□ EUV 시대의 그림자 – 미세공정 한계

- 반도체 회로를 웨이퍼에 새기는 핵심 공정인 ‘노광(Lithography)’은 빛의 파장과 해상도가 곧 기술 경쟁력입니다.

- 삼성전자는 3나노 GAA 공정부터 EUV(Extreme Ultraviolet) 노광 기술을 선단 로직 공정에 적용해 왔습니다.

- 그러나 공정 미세화가 3나노 이하로 진입하면서 빛의 회절 현상이 심해지고, 회로 패턴의 해상도와 정밀도 확보가 어려워지는 ‘물리적 한계’가 나타나고 있습니다.


□ PSM(위상 반전 마스크)의 원리와 장점

- 기존 바이너리 마스크: 투명 기판 위에 크롬(Cr) 등 불투명 물질로 패턴을 만들고, 빛이 투명 부분만 통과

- PSM(Phase Shift Mask): 위상 반전층을 추가해 빛의 위상을 180° 반전시켜, 인접한 빛이 간섭을 일으키도록 설계

- 효과: 회절을 줄이고, 빛의 경계가 선명해져 선폭(Line Width)과 해상도 향상

- 특히 EUV 파장(13.5nm) 환경에서 미세 패턴 형성 능력을 높여, 차세대 2나노 이하 공정 진입 시 중요한 기술로 부상


□ 삼성전자의 도입 배경

- 삼성전자는 그간 로직 반도체 선단 공정에 바이너리 마스크를 사용해 왔습니다.

- 하지만 3나노 이하에서는 패턴 균일성·공정 마진 문제가 심화, PSM 전환이 사실상 불가피해졌습니다.

- 삼성전자는 “기술의 흐름은 바이너리에서 PSM으로 가고 있다”며, 이미 제품 적용을 시도 중이라고 언급했습니다.


□ 기술적 난관 – 패턴별 초점 불일치

- PSM 적용 시, 패턴 종류별 최적 초점(Best Focus)이 다르게 나타나는 문제가 발생

- Dense 패턴: 촘촘한 회로 구조

- ISO 패턴: 드문드문한 구조

- 패턴마다 초점이 다르면 공정 마진이 줄어들고, 이는 수율 하락·불량률 상승으로 이어집니다.


□ 삼성의 해결 시도와 성과

○ 3가지 접근법

1. 광원 형태 최적화 – 노광 장비의 조명 패턴을 조정해 두 패턴의 초점을 맞춤

2. 보조 패턴 추가 – 실제 회로에 영향 없는 더미 패턴을 넣어 초점 균일화

3. 마스크 흡수층 두께 조절 – 마스크 구조를 변경해 위상 효과 조정

- 결과: 광원 최적화 방식이 가장 큰 효과, 초점 차이 5nm 이하로 축소, 패턴 균일도(CDU) 15% 개선


□ 글로벌 경쟁사 동향

- TSMC: 이미 일부 EUV 레이어에 PSM 적용, 2나노 공정에서도 PSM·고NA EUV 병행 계획

- 인텔: 18A(1.8nm) 공정에서 고NA EUV와 PSM 적용 검토

- 삼성전자는 아직 R&D 단계지만, 빠른 상용화가 이루어지면 2나노 이하 공정 경쟁에서 전환점이 될 수 있음


□ 향후 전망과 투자 시사점

- 단기: 광원 최적화 등 ‘현장 적용 가능한 솔루션’ 우선 도입

- 중기: 설계·공정 전반의 구조적 개선과 병행해 PSM 양산 확대

- 장기: PSM은 고NA EUV·멀티 패터닝 등과 함께 초미세 공정 필수 기술로 자리잡을 가능성

- 투자 관점: PSM 도입 가속은 포토마스크 제작사(프로테크·에이피시스템), EUV 장비 부품사, 광학부품 기업 등 밸류체인 전반에 수혜 가능


□ EUV 2.0 시대로의 진입

- PSM은 단순한 장비 업그레이드가 아니라, EUV 한계를 뛰어넘는 차세대 공정 패러다임입니다.

- 삼성전자가 R&D를 넘어 양산 적용에 성공한다면, TSMC·인텔과의 초미세 공정 경쟁에서 중요한 기술적 발판을 마련하게 됩니다.

- 결국 반도체 선단 경쟁은 ‘나노미터 싸움’이 아니라 빛과 위상의 전쟁이 될 것입니다.