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[서울=뉴스핌] 배상희 기자 = 중국의 자체 개발 DUV(심자외선) 노광장비가 양산 단계에 진입하면서 글로벌 반도체 업계의 관심은 자연스럽게 다음 목표인 EUV(극자외선) 기술로 향하고 있다.

그러나 EUV는 단순히 DUV의 성능을 높인 장비가 아니라 광원·광학·정밀제어·이머전 등 핵심 기술이 모두 새로운 수준에 도달해야 하는 초정밀 시스템이다.

결국 중국의 EUV 도전은 하나의 장비 개발이 아니라 수많은 핵심 기술을 동시에 완성해야 하는 '종합 기술력'의 시험대인 셈이다.

이번 기사에서는 중국이 EUV 기술 자립이라는 목표를 완성하기 위해 풀어야 할 '4대 핵심 퍼즐'과 관련 핵심 기업들의 기술 현주소 등을 살펴본다.

◆ 중국 EUV 기술력, ASML과 20년 이상의 격차

중국이 이머전 DUV 양산에 돌입했다고는 하지만, 그 기술력은 초기 양산·검증 단계에 위치해 있다. 이보다 앞선 5세대 기술인 EUV의 경우 여전히 연구개발 단계에 머물러 있다.

중국은 EUV 관련 특허와 핵심 기술 연구를 진행 중이지만, 현재까지 상업용 EUV 장비 개발 기술을 확보했다는 객관적 근거는 없다.

EUV는 현존하는 반도체 제조장비 가운데 가장 복잡한 시스템으로 현재로서는 ASML이 사실상 공급을 독점하고 있다.

시장에서는 ASML과 '몇 년 차이가 나는가'라는 질문이 많이 제기되지만, 단순히 연도로 환산하는 것은 적절하지 않다는 평가가 나온다.

기술 수준만 보면 현재 중국이 양산을 추진 중인 이머전 DUV는 ASML이 이미 2000년대 중후반부터 상업적으로 공급해온 기술이다. EUV의 경우 ASML은 2019년부터 EUV 노광 장비를 본격 공급했고, 현재는 High-NA EUV까지 상용화를 추진하고 있다.

이를 기준으로 보면 이머전 DUV 분야만 따져봐도 ASML과 약 15~20년 수준의 기술 격차가 존재한다는 평가가 나오는 만큼, EUV 기술은 그 이상이 될 것으로 보인다.

다만 이 수치는 단순히 '연도 차이'일 분이며, 실제 경쟁력은 장비 신뢰성, 생산성, 오버레이 정확도, 가동률, 서비스망 등 다양한 요소에 의해 결정된다. 특히 ASML은 장비 판매뿐 아니라 유지보수, 소프트웨어 업데이트, 글로벌 서비스 조직까지 포함한 산업 생태계를 구축했다는 점에서 단순 기술 이상의 경쟁력을 확보하고 있다.

갑작스러운 이머전 DUV 양산 소식으로 글로벌 시장의 주목을 받은 중국이 향후 EUV 개발에서도 의미 있는 돌파구를 마련할 수 있을지는 아직 미지수다. 다만 EUV는 단순히 DUV의 연장선이 아닌 광원·광학계·정밀제어·진공 등에서의 새로운 돌파구를 요구하는 전혀 다른 차원의 기술 영역이라는 점에서, 중국이 넘어야 할 장벽은 여전히 높다는 평가가 나온다.

◆ EUV 기술 완성에 필요한 '4가지 퍼즐'

1. 첫 번째 퍼즐 : 심장의 안정적 박동 '광원'

① 광원의 역할

노광 장비의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 광원으로, 장비의 '심장'으로 비유할 수 있다. 파장, 출력, 안정성이라는 세 가지 지표가 노광장비의 해상도와 생산 수율을 직접 결정한다.

② 중국 기술력 현주소

중국은 193nm ArF 엑시머 레이저와 248nm KrF 엑시머 레이저 등으로 DUV 광원 국산화에서는 상당한 진전을 이뤘지만, EUV의 핵심인 고출력 레이저생성플라즈마(LPP) 광원 분야에서는 아직 연구개발 단계에 머물러 있다.

③ 핵심 기업과 경쟁력 

현재 중국 DUV 광원 분야에서는 커이훙위안(科益虹源∙RSLASER)이 대표 기업으로 꼽힌다.

커이훙위안은 중국과학원 마이크로전자연구소(中國科學院微電子所)를 비롯한 국유 연구기관이 참여해 설립됐으며, 193nm ArF 엑시머 레이저 광원을 자체 개발해 국산 DUV 노광장비 공급망 구축에 참여하고 있다.

커이훙위안의 기술 돌파는 여러 방면에서 나타났다. 자체 개발한 193nm ArF 엑시머 레이저는 출력 40~60W, 반복 주파수 6KHz, 출력 안정성 99.99%, 수명 3만 시간을 넘는 성능을 달성했다.

ArF 광원은 DUV 노광기의 핵심 부품 가운데 하나로, 출력 자체보다 중요한 것은 장시간 동일한 에너지를 유지하는 안정성이다. 광 출력이 미세하게 흔들려도 웨이퍼 전체의 노광 균일도가 떨어질 수 있기 때문이다.

2021년에는 화웨이(華為) 계열 투자회사인 하보인베스트먼트(哈勃投資)가 커이훙위안의 지분 4.76%를 취득하며 전략적으로 투자자로 나서 시장의 관심을 끌었다. 업계에서는 이를 장비 기업과 핵심 부품 기업을 동시에 육성하려는 중국 당국의 공급망 강화 전략의 일환으로 해석했다.

다만 현재까지 공개된 자료를 종합하면 커이훙위안의 기술은 DUV 광원 상용화 단계에 집중돼 있으며, EUV 광원은 여전히 국가 연구기관 중심의 연구개발 단계에 머물러 있다.

2. 두 번째 퍼즐 : 눈의 극한 정밀도 '광학'

① 광학의 역할

광원이 노광장비의 '심장'이라면, 투영광학계와 조명 시스템은 장비의 '눈'이다. 광학 시스템은 광원에서 나온 빛을 정밀하게 제어해 마스크의 회로 패턴을 웨이퍼 위에 축소 투영하며, 해상도와 이미지 품질을 결정하는 핵심 역할을 한다.

② 중국 기술력 현주소

중국은 DUV용 투영광학 기술과 광학 설계 역량을 꾸준히 축적하고 있지만, EUV용 다층 반사광학계를 상용화했다는 객관적인 근거는 아직 확인되지 않았다. 업계에서는 DUV 광학 기술의 축적이 장기적으로 EUV 개발의 기반이 될 수 있다는 평가를 내놓고 있다.

DUV와 EUV 광학계는 기술 체계 자체가 다르다. DUV는 수십 장의 초정밀 렌즈를 이용해 회로 패턴을 웨이퍼 위에 축소 투영하지만, EUV는 13.5nm 파장이 대부분의 물질에 흡수되기 때문에 렌즈를 사용할 수 없다.

EUV에서는 렌즈 대신 수십 겹의 몰리브덴(Mo)·실리콘(Si) 다층 박막을 원자 수준의 정밀도로 증착한 반사경이 사용된다. 반사경은 원자 수준의 표면 정밀도를 유지해야 하며, 광학계 전체의 정렬 오차도 극도로 제한된다. 여기에 초고진공 환경과 열 변형 제어까지 동시에 구현해야 하기 때문에 업계에서는 EUV 반사광학계를 광원과 함께 가장 어려운 핵심 기술 가운데 하나로 평가한다. 

③ 핵심 기업과 경쟁력 

중국 광학 분야에서는 궈왕광학(國望光學∙GOPPTIX)과 궈커정밀(國科精密∙CNEPO)이 핵심 기업으로 꼽힌다.

그 중 궈왕광학은 28nm급 이머전 DUV용 투영광학 시스템 개발을 추진해왔으며, 관련 핵심 광학 부품의 국산화를 진행하고 있다. 회사는 고해상도 투영광학 시스템 개발을 추진하고 있으며, 멀티패터닝과 결합해 28nm 이하 공정 적용을 목표로 하고 있다. 아울러 국가 중대 과학기술 프로젝트인 '02 프로젝트'에 참여해 EUV용 핵심 광학 기술 연구를 이어가고 있다.

기초 연구는 창춘광학정밀기계물리연구소(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所∙CIOMP)와 중국과학원 상하이광학정밀기계연구소(中國科學院上海光學精密機械研究所∙SIOM)이 담당한다. 두 기관은 투영광학 설계와 초정밀 광학 가공, 반사광학 등 DUV와 EUV의 기반 기술을 연구하는 중국 광학 분야의 핵심 연구기관으로 평가된다.

3. 세 번째 퍼즐 : 두뇌와 팔다리 협업 '스테이지'

① 스테이지의 역할

노광장비가 아무리 우수한 광원을 갖추더라도 웨이퍼의 위치를 나노미터 단위로 정확하게 제어하지 못하면 원하는 회로를 구현할 수 없다. 노광장비의 생산성과 정밀도를 좌우하는 핵심 장치가 바로 스테이지다.

스테이지는 웨이퍼를 나노미터 단위로 이동시키며 노광 정밀도를 결정하는 핵심 부품이다.

그 중에서도 스테이지를 두개 사용하는 '듀얼 스테이지 기술'이 주목을 받고 있다. 한쪽 스테이지에서 노광을 진행하는 동시에 다른 스테이지에서는 다음 웨이퍼를 정렬하는 방식으로, 장비 생산성을 크게 높일 수 있다.

이 기술은 나노미터급 위치 정밀도와 고속 이동 중에도 서브나노미터급 안정성을 유지해야 하는 매우 높은 기술 장벽을 갖고 있다. 웨이퍼 스테이지는 수백㎜를 이동하면서도 오차를 수 나노미터 이하 수준으로 유지해야 한다.

② 중국 기술력 현주소

스테이지는 중국이 핵심 부품 가운데 가장 빠르게 기술력을 축적하고 있는 분야 가운데 하나다.

DUV 장비용 기술 확보를 추진하고 있으며 EUV용 초고속·초정밀 스테이지 연구도 진행 중이다.

다만 EUV에서는 △수 nm 이하 위치 제어 △초고속 이동 △열 변형 보정 △진동 억제까지 동시에 만족해야 한다. 이러한 점에서 중국은 부품 기술은 따라가고 있지만, 전체 시스템 수준에서는 ASML과의 격차가 여전히 크다는 평가가 많다.

③ 핵심 기업과 경쟁력 

현재 중국에서는 화줘징커(華卓精科∙UPrecision)가 이 분야 대표 기업으로 꼽힌다.

화줘징커는 칭화대학(清華大學) 연구팀이 설립한 중국 집적회로(IC) 제조장비 및 핵심 부품 연구개발 업체로, 웨이퍼 스테이지와 초정밀 모션제어 기술 개발을 담당하고 있다.

화줘징커는 자체적으로 듀얼 스테이지 기술을 개발했으며, 중국에서는 가장 앞선 기술력을 보유한 기업으로 평가된다. 회사는 세계에서 두 번째로 관련 핵심 기술을 확보했다고 주장하지만, ASML과 동등한 수준의 상용 기술력을 확보했다는 객관적인 평가는 아직 없다.

회사 측은 자체 개발한 나노급 듀얼 스테이지가 상하이마이크로일렉트로닉스장비(上海微電子裝備集團股份有限公司∙SMEE)의 차세대 이머전 DUV 장비 개발에 적용되고 있다고 밝히고 있다. 다만 실제 양산 장비에서의 검증 범위와 성능은 공개되지 않았다.

회사는 2020년 처음으로 커촹반 IPO를 신청했으나 시장 환경 변화 등의 영향으로 2024년 신청을 철회했다. 이후 2026년 국가집적회로산업투자기금(CICF·빅펀드) 3기의 반도체 장비 투자 확대와 함께 다시 상장을 추진하고 있다. 이는 중국 정부가 핵심 반도체 장비 국산화를 전략적으로 지원하고 있음을 보여주는 사례로 평가된다.

4. 네 번째 퍼즐 : 해상도 고도화 기술 '이머전 시스템'

① 이머전 시스템의 역할

이머전(Immersion·침지식) 기술은 DUV 노광장비의 해상도를 높이기 위해 투영 렌즈와 웨이퍼 사이에 초순수(물)를 채워 빛의 굴절률을 높이는 기술이다.

같은 193nm ArF 광원을 사용하더라도 기존 건식(Dry) 방식보다 더 미세한 회로를 구현할 수 있어 현재 첨단 DUV 노광장비의 핵심 기술로 자리 잡고 있다.

ArF 이머전 기술은 멀티패터닝(Multi Patterning)을 통해 20nm 이하 공정에도 활용될 수 있으며, 업계에서는 14nm·10nm·7nm급 공정에도 적용 사례가 알려져 있다.

② 중국 기술력 현주소

이머전 DUV는 현재 중국 노광장비 산업이 가장 의미 있는 성과를 낸 분야로 평가된다.

최근 로이터 보도에 따르면 중국은 자체 개발한 이머전 DUV 노광장비 초기 양산 단계에 진입한 상태다. 다만, 생산 규모는 업계 전망 기준으로 2026년 약 5대, 2027년 약 20대 수준으로 예상돼, 연간 수백 대를 공급하는 ASML과는 여전히 상당한 격차가 존재하는 것으로 평가된다.

중국은 장비 구현에는 성공했지만, 현재 단계는 어디까지나 초기 양산과 검증 단계다.

중국이 DUV 분야에서 의미 있는 진전을 이뤘다는 평가에는 이견이 적지만 장비 신뢰성 외에 생산성, 오버레이 정확도, 가동률. 고객사 검증 등에서는 여전히 ASML과 상당한 격차가 존재한다는 것이 글로벌 업계의 대체적인 평가다.

③ 핵심 기업과 경쟁력 

앞서 아이성나전자과기그룹(愛晟納電子科技集團 이하 아이성나) 생태계에서 소개한 것처럼 이머전 DUV 분야에서는 SMEE와 상하이위량성과기유한공사(上海宇量昇科技有限公司∙UEA 이하 위량성)이 중국 기술 개발의 양대 축으로 꼽힌다.

SMEE는 중국에서 상업용 노광장비를 개발하는 대표 기업으로, KrF·ArF DUV 장비 개발 경험을 바탕으로 현재 28nm급 ArF 이머전 DUV 장비의 산업화를 추진하고 있다. SMEE는 '2026년 상하이 국제 반도체 전시회(SEMICON China)'에서 28nm급 ArF 이머전 DUV 노광장비 'SSA800' 시리즈를 일반인에게 공개한 바 있다.

위량성은 차세대 ArF 이머전 DUV 개발을 추진하는 신흥 기업이다. 영국 파이낸셜타임스(FT)는 지난해 중국 최대 파운드리 SMIC(中芯國際∙중신궈지 688981.SH/0981.HK)가 위량성의 장비를 시험 평가했다고 보도한 바 있다.

치얼기전(浙江啟爾∙CHEERTECH)도 주목할 기업 중 하나다.

저장대학교 연구진을 주축으로 설립된 기업으로, 노광장비용 이머전 시스템 연구개발을 추진하고 있다. 국가급 전정특신(專精特新, 전문성·정밀성·특수성·참신성의 기술력을 지닌 기업을 의미하는 것으로, 규모는 작지만 기술력은 강한 '작은 거인'으로도 불림) 기업으로도 선정됐다.

중국에서는 치얼기전이 ASML, 니콘에 이어 세계에서 세 번째로 이머전 시스템 기술을 확보했다고 평가하지만, 이러한 평가는 중국 측 발표를 기반으로 한 것으로 국제적으로 통용되는 공식 평가는 아니다. 

pxx17@newspim.com