1a 및 1b 나노미터 DRAM 공정 노드를 안정화하기 위한 산업적 노력은 단순한 리소그래피 해상도 문제를 넘어, 이제는 운영 비효율성과 탄소 배출량 감축이라는 복잡한 과제로 진화했습니다. SK하이닉스가 ASML의 최첨단 EUV 스캐너를 도입하여 세계에서 가장 고밀도의 메모리 셀을 식각함에 따라, 주요 병목 현상은 물리적 문제에서 경제적 문제로 옮겨갔습니다. 이 방정식에서 중요하지만 눈에 띄지 않는 요소는 스캐너의 진공 용기에서 주석 잔여물을 제거하는 데 필요한 막대한 양의 수소 가스입니다. SK 하이닉스는 ASML과 함께 자체적인 "수소 재활용 생태계"를 구축함으로써 단순히 ESG 요건을 충족하는 것을 넘어 EUV 리소그래피의 비용 구조를 근본적으로 바꾸고 있습니다. 이 기술은 기존에 소각되던 사용 후 가스를 재활용하여 웨이퍼당 공과금을 획기적으로 절감하는 동시에 최대 광자 처리량에 필요한 완벽한 진공 상태를 유지합니다. 궁극적으로 이러한 친환경 기술은 웨이퍼 생산 공정에서 가장 중요한 지표인 시간당 웨이퍼 생산량(WPH)에 직접적인 영향을 미쳐, 옹스트롬 시대로의 전환이 기술적으로 가능할 뿐만 아니라 상업적으로도 실현할 수 있도록 보장합니다.
1a/1b 나노 스케일 미세 가공에 필수적인 EUV 스캐너
1a(4세대) 및 1b(5세대) 나노미터 DRAM 공정용 NXE:3600D EUV 스캐너의 도입은 단순한 장비 업그레이드가 아니라 반도체 경제를 지배하는 "리소그래피 법칙"을 근본적으로 재정립하는 것입니다. 이전 1나노미터 시대에는 엔지니어들이 "쿼드러플 패터닝(QPT)"이라는 복잡한 기술을 사용하는 ArF 침수 리소그래피를 사용해야 했는데, 이 기술은 단일 회로 층을 그리기 위해 동일한 웨이퍼를 네 번 노출하는 방식이었습니다. 이는 처리 시간을 네 배로 늘렸을 뿐만 아니라, 네 번의 노출 사이에 나노미터 규모의 정렬 불량이 발생하면 전체 칩이 손상되는 "오버레이 오류" 위험을 기하급수적으로 증가시켰습니다. EUV 스캐너는 13.5nm의 파장(ArF의 193nm보다 14배 이상 짧음)을 사용하여 "단일 패터닝" 기능을 구현함으로써 이러한 문제를 해결합니다. SK하이닉스는 1a 노드에서 초기에는 이 기술을 하나의 핵심 레이어에 적용했지만, 양산형 1b 노드에서는 다섯 개의 핵심 레이어로 확대했습니다. 마스크 공정 단계를 줄임으로써(약 20개의 ArF 마스크를 단 5개의 EUV 마스크로 대체함으로써) 제조 공정의 "사이클 타임"이 획기적으로 단축되어, 경쟁사들이 멀티패터닝에 의존하는 방식보다 더 빠르고 안정적인 수율로 32Gb DDR5 모듈을 생산할 수 있게 되었습니다. 하지만 1a/1b 노드에서 EUV 스캐너를 작동시키면 "확률적 결함"(랜덤 오류)이라는 새로운 보이지 않는 적이 발생합니다. EUV 광은 광자당 에너지가 매우 높기 때문에 웨이퍼에 도달하는 총 광자 수는 기존 광원보다 훨씬 적습니다. 이는 "포톤 샷 노이즈"라는 현상을 초래하는데, 빛 입자 수의 통계적 변동으로 인해 회로 패턴에 미세한 틈이 생겨 "브리지" 또는 "오픈" 결함이 발생하고, 이에 따라 메모리 셀이 손상되는 것입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 SK 하이닉스는 기존의 화학 증폭 레지스터(CAR) 대신 고감도 "금속 산화물 레지스트(MOR)" 전략을 사용합니다. 이 새로운 소재는 EUV 광자를 더욱 효율적으로 흡수하도록 설계되어 깨끗한 패턴을 인쇄하는 데 필요한 "선량"(에너지)을 줄여줍니다. SK 하이닉스 엔지니어들은 "선량 대 크기" 비율을 미세 조정하여 스캐너의 처리량(시간당 160개 이상의 웨이퍼)을 극대화하면서도 확률적 노이즈 플로어를 발생시키지 않는 "최적의 지점"을 찾아냈습니다. 포토레지스트에 대한 이러한 화학적 제어 기술은 1비트 DDR5가 최적화가 덜 된 EUV 공정에서 흔히 발생하는 무작위 비트 오류 없이 업계 최고 수준의 속도를 달성할 수 있도록 하는 "비밀 병기"입니다. 이 스캐너의 핵심은 "소스 용기"라는 진공 챔버로, 별의 내부 환경을 모방하여 극자외선(EUV)을 생성합니다. 이곳에서 미세한 용융 주석(Sn) 방울에 고출력 CO2 레이저를 두 번 조사합니다. 첫 번째는 방울을 납작하게 만드는 프리펄스이고, 두 번째는 플라스마로 기화시키는 메인 펄스입니다. 이 과정을 통해 13.5nm 파장의 빛이 생성됩니다. 이 격렬한 반응의 부산물은 주석 파편으로, 수백만 달러짜리 "수집가 거울"에 달라붙어 훼손할 수 있습니다. 이러한 점에서 수소 가스 공급은 스캐너의 생명줄이 됩니다. SK 하이닉스는 챔버에 수소 라디칼 가스를 지속적으로 주입하여 부유하는 주석 파편과 반응시켜 스탄난(SnH4) 가스를 생성하고, 이를 안전하게 배출할 수 있도록 합니다. 이 "현장 세척" 메커니즘은 미러의 반사율을 유지하는 데 매우 중요합니다. 수소 흐름이 불안정하면 미러가 손상되고 광량이 감소하며 "시간당 웨이퍼 처리량(WPH)" 지표가 급격히 떨어집니다. 따라서 ASML과의 "기술 협력"은 주로 이 "파편 저감 시스템" 최적화에 중점을 두고 있으며, 이를 통해 스캐너가 유지 보수를 위한 진공 중단 없이 수주 간 가동될 수 있도록 합니다. 이는 SK 하이닉스가 급증하는 HBM3E 수요를 충족할 수 있는 핵심 요소입니다.
친환경 수소 가스 재활용 공정 공동 개발
SK 하이닉스와 ASML의 "수소 가스 재활용 공동 개발" 사업은 극자외선(EUV) 리소그래피의 막대한 운영 오버헤드에 대한 전략적 엔지니어링 대응책입니다. EUV 스캐너의 핵심에서 수소 가스는 중요한 역할을 합니다. 수소 가스는 소스 용기에 분사되어 증발 부산물과 반응하여 주석(SnH4)을 형성함으로써 주석 파편이 집광 거울을 가리는 것을 방지합니다. 과거에는 이러한 오염된 수소를 단순히 배출가스 저감 장치로 보내 태워 없애는 방식이 사용되었습니다. 이는 "단일 통과" 방식으로, 장치 한 대당 매년 수십만 리터의 고순도 가스를 소모합니다. 이 연합이 개발한 새로운 재활용 프로토콜은 이러한 배출 가스가 배출가스 저감 장치에 도달하기 전에 차단합니다. 첨단 "막 분리" 및 "전기화학적 정제" 기술을 활용하여 독성 주석 화물(Stannane)과 잔류 질소를 걸러내고 수소를 최대 80%까지 회수합니다. 이렇게 회수된 가스는 재가압되어 스캐너의 공급처로 다시 공급되므로, 기존의 선형 소비 모델을 산업용 가스 가격 변동으로부터 공장을 효과적으로 보호하는 "폐쇄 루프 생태계"로 전환합니다. 지속가능성 관점에서 이 프로젝트는 스코프 3 배출량(공급망에서 발생하는 간접 배출량)을 줄이는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 반도체 등급 수소(순도 99.999%) 생산은 에너지 집약적인 공정으로, 일반적으로 수증기 메탄 개질이나 고전압 전기분해를 거치며, 이는 상당한 탄소 발자국을 남깁니다. SK하이닉스는 현장에서 가스를 재활용함으로써 신규 수소 생산에 대한 상류 수요와 이천 및 청주 캠퍼스로 고압 튜브 트레일러를 운송하는 관련 물류를 절감합니다. 또한 EUV 공정 자체의 "전력 소비 효율"도 향상됩니다. 재활용 장치는 새로운 수소를 합성하는 데 필요한 에너지의 극히 일부만으로 작동하기 때문에 "웨이퍼당 순 에너지 비용"이 감소합니다. 이번 협력은 ASML의 로드맵이 순전히 "해상도 중심"(더 작은 나노미터)에서 장비 소유의 전체 환경적, 경제적 비용을 최적화하는 "종합적인 리소그래피"로 전환되고 있음을 보여줍니다. SK하이닉스에 있어 이 시스템의 성공적인 구현은 탄소 발자국을 선형적으로 증가시키지 않고 1b 및 1c 나노미터 생산 능력을 확장할 수 있음을 의미하며, 이를 통해 애플이나 마이크로소프트와 같은 기후 의식이 높은 하이퍼스케일 기업들의 눈에 HBM3E 제품에 대한 "친환경 프리미엄" 지위를 확보할 수 있습니다.
시간당 웨이퍼 처리량(WPH)을 극대화하는 기술
EUV 리소그래피 공정에서 시간당 웨이퍼 생산량(WPH)을 극대화하는 것은 광원의 단순한 출력만을 고려하는 것이 아니라, 복잡한 엔지니어링 균형을 맞춰야 하는 과제입니다. SK 하이닉스의 처리량 전략의 핵심은 기존의 화학 증폭 레지스터(CAR)에서 첨단 금속 산화물 레지스터(MOR)로의 전환입니다. 리소그래피의 물리적 특성에서 속도는 "노이즈 감도"에 의해 결정됩니다. 즉, 회로 패턴을 성공적으로 인쇄하는 데 필요한 광 에너지의 양입니다. 기존의 유기 레지스터는 화학 반응을 일으키기 위해 높은 광량(광자)이 필요하므로 스캐너가 웨이퍼에 충분한 빛을 쬐어주기 위해 천천히 움직여야 합니다. 스캐너의 이동 속도가 너무 빠르면 웨이퍼가 받는 광자 수가 부족해져 "포톤 샷 노이즈"가 발생하고, 이에 따라 이미지가 흐릿해지고 끊김 현상이 나타나 결국 치명적인 개방 회로 고장으로 이어질 수 있습니다. SK 하이닉스는 주석 기반 금속 산화물 레지스터(MOR)를 채택함으로써 이러한 문제를 완전히 해결했습니다. 이러한 소재는 훨씬 높은 "EUV 흡수 단면적"을 가지고 있어 탄소 기반 폴리머보다 13.5nm 광자를 훨씬 효율적으로 포착합니다. 따라서 스캐너는 패턴 충실도를 유지하면서 훨씬 낮은 선량 임계값에서 작동할 수 있으며, 결과적으로 스테이지 모터의 기계적 한계에 근접하는 물리적 속도로 웨이퍼를 스캔할 수 있어 레이저 출력을 단 1와트도 추가하지 않고도 처리량을 표준 160WPH에서 180WPH 이상으로 향상할 수 있습니다. 웨이퍼 처리량(WPH)을 높이는 또 다른 중요한 요소는 차세대 고투과율 펠리클을 적용하여 "광학적 기생 손실"을 제거하는 것입니다. 펠리클은 포토마스크 위에 위치하여 먼지 입자로부터 포토마스크를 보호하는 나노미터 두께의 막입니다. 그러나 기존에는 이 펠리클이 웨이퍼에 도달하기 전에 귀중한 EUV 광의 최대 15~20%를 흡수하여 병목 현상을 일으켰습니다. 펠리클을 통과하는 빛의 양이 1%라도 감소하면 스캐너는 감소한 광량을 보정하기 위해 속도를 늦춰야 합니다. SK 하이닉스는 소재 과학 파트너들과 적극적으로 협력하여 폴리실리콘 기반 멤브레인에서 탄소 나노튜브(CNT) 또는 그래핀 기반 복합 펠리클로의 전환을 추진하고 있습니다. 이러한 첨단 소재는 이전 세대의 표준 투과율인 80%를 훨씬 뛰어넘는 92% 이상의 투과율을 제공합니다. 광학 처리량 12% 증가는 스캐닝 속도 12% 향상으로 직결됩니다. 그뿐만 아니라, 이 새로운 소재는 탁월한 "열 반사율"을 자랑하여 600W 소스의 강력한 열 부하에도 녹거나 변형되지 않고 견딜 수 있습니다. 이러한 열 내구성을 통해 SK 하이닉스는 소스 출력을 최대치까지 높여 포토레지스트를 더 포화시키고 필드당 노광 시간을 대폭 단축할 수 있습니다. 이는 비용에 민감한 범용 DRAM 생산에 있어 매우 중요한 최적화 요소입니다. 웨이퍼 처리량(WPH) 극대화의 마지막 관문은 "컴퓨테이셔널 리소그래피" 영역, 특히 웨이퍼당 "샷 횟수"를 줄이기 위한 소스-마스크 최적화(SMO) 기술에 있습니다. 일반적인 리소그래피 공정에서는 복잡한 패턴을 구현하기 위해 광학적 간섭을 피하고자 "이중 패터닝"(하나의 고밀도 회로 층을 두 개의 별도 노광으로 분할)을 사용하는 경우가 많은데, 이로 인해 웨이퍼 처리량이 절반으로 줄어듭니다. SK 하이닉스는 대규모 GPU 클러스터를 활용하여 역 리소그래피 시뮬레이션을 실행하고, 마스크 패턴을 사전 왜곡(광학 근접 보정)하여 광학적 수차를 완벽하게 제거합니다. 이러한 고성능 연산 덕분에 10억 나노미터 크기의 초고밀도 패턴을 단일 노출 공정으로 구현할 수 있으며, 다중 패터닝 공정이 필요하지 않습니다. 또한 SK 하이닉스는 웨이퍼의 이전 오버레이 성능에 따라 측정되는 정렬 마커의 개수를 동적으로 조정하는 "스마트 정렬 전략"이라는 기술을 활용합니다. 웨이퍼 배치에서 기계적 변형이 안정적으로 유지되면 스캐너는 불필요한 정렬 검사를 건너뛰어 노출 사이의 귀중한 "오버헤드 시간"을 몇 밀리초씩 단축합니다. 연간 수백만 장의 웨이퍼에 이러한 밀리초 단위의 시간 절약이 누적되면 수천 장의 웨이퍼를 추가로 생산할 수 있게 되어 웨이퍼 제조 공장의 수익에 직접적인 영향을 미칩니다.
