'물 한 방울'로 삼전닉스 자리 넘본다…中 '극강의 기술' 정체 [강경주의 테크X]

<테크X 111>

중국 첫 이머전 DUV 양산…SMIC·CXMT 공급 임박
DUV와 EUV, 무엇이 다른가…"파장이 수율 결정"
삼성·SK 긴장시키는 중국 DUV…메모리 경쟁 변수
CXMT 476% 폭등…중국 반도체 자립 기대감 폭발

SMIC 본사 / 사진=SMIC

중국이 반도체 공정의 '심장'으로 불리는 이머전(침지형) 심자외선(DUV) 노광기 국산화에 성공한 것으로 알려지면서 글로벌 반도체 기업 주가가 요동치고 있다. 미국의 대중 반도체 제재를 뚫을 핵심 퍼즐을 맞췄다는 평가가 나오는 가운데, 중국 반도체 기업과 삼성전자·SK하이닉스의 경쟁 구도에도 변화가 있을지 관심이 쏠린다.

'물 한 방울'이 바꾼 반도체 미세공정…이머전 DUV의 원리

미국 정보기술(IT) 전문 매체인 더인포메이션은 28일 중국의 한 기업이 자체 개발한 이머전 DUV 장비를 생산하기 시작했으며 올해 5대를 제작해 고객사에 납품할 예정이라고 보도했다.

매체에 따르면 올해 생산분은 파운드리(반도체 수탁생산) 업체인 SMIC, 화훙반도체와 메모리 기업인 CXMT 등 중국의 주요 반도체 업체들에게 공급된다. 중국 업체가 이머전 DUV를 제조하는 것은 이번이 처음이다. 매체는 내년에 20대가 출하될 것이라고 전했다.

미국은 2019년부터 네덜란드의 ASML이 유일하게 만드는 최첨단 극자외선(EUV·Extreme Ultraviolet) 노광기의 중국 수출을 금지시켰다. 이어 2023년부터는 이머전 DUV 장비의 중국 수출마저 금지시킨 상태다.

반도체는 실리콘 웨이퍼 위에 머리카락 굵기의 수천분의 1에 불과한 초미세 회로를 그려 만드는 제품이다. 이 회로를 빛으로 새기는 장비가 노광기이고, DUV 노광기는 현재 반도체 산업에서 가장 널리 사용되는 핵심 장비다. 중국이 자체 개발한 것으로 알려진 이머전 DUV는 기존 DUV보다 한 단계 진화한 기술이다.

기존 DUV는 노광기 렌즈와 웨이퍼 사이에 공기가 있었지만 이머전 DUV는 그 공간을 초순수(물)로 채운다. 물은 공기보다 빛의 굴절률이 높아 빛을 더욱 정밀하게 한곳에 모을 수 있다. 쉽게 말해 카메라 렌즈의 해상도를 높여 더 선명한 사진을 찍는 원리와 같다.

같은 193나노미터(㎚·1나노는 10억분의 1m) 파장의 빛을 사용하더라도 더 미세한 회로를 구현할 수 있는 이유다. 이머전 DUV는 한 번의 노광으로 28나노 공정을 구현할 수 있다. 여기에 동일한 회로를 여러 차례 반복해서 새기는 멀티패터닝 기술을 적용하면 이론적으로 7나노 수준의 공정까지 구현이 가능하다. 미국의 수출 규제를 받는 중국이 이머전 DUV 개발에 사활을 걸었던 이유도 여기에 있다.

반도체는 실리콘 웨이퍼 위에 머리카락 굵기의 수천분의 1에 불과한 초미세 회로를 그려 만드는 제품이다. 이 회로를 빛으로 새기는 장비가 노광기이고, DUV 노광기는 현재 반도체 산업에서 가장 널리 사용되는 핵심 장비다. 중국이 자체 개발한 것으로 알려진 이머전 DUV는 기존 DUV보다 한 단계 진화한 기술이다. 사진은 이머전 DUV 개념도 / 사진=ASML 기존 DUV는 노광기 렌즈와 웨이퍼 사이에 공기가 있었지만 이머전 DUV는 그 공간을 초순수(물)로 채운다. 물은 공기보다 빛의 굴절률이 높아 빛을 더욱 정밀하게 한곳에 모을 수 있다. 쉽게 말해 카메라 렌즈의 해상도를 높여 더 선명한 사진을 찍는 원리와 같다.

다만 멀티패터닝은 회로를 한 번에 그리는 것이 아니라 여러 번 나눠 새기는 방식이다. 그만큼 공정 횟수가 늘어나고 생산 시간이 길어져 수율은 낮아지고 제조원가는 크게 높아지는 한계가 있다. 이 때문에 삼성전자와 TSMC, 인텔 등이 5나노·3나노·2나노 이하 최첨단 공정에 대부분 EUV 노광기를 사용하고 있다. DUV로도 첨단 공정 구현은 가능하지만 경제성과 생산성 측면에서는 EUV가 훨씬 유리하기 때문이다.

DUV와 EUV의 가장 큰 차이는 빛의 파장이다. 반도체 노광 기술에서는 사용하는 빛의 파장이 짧을수록 더 미세한 회로를 그릴 수 있다. DUV는 193나노 파장의 불화아르곤(ArF) 레이저를 사용하는 반면, EUV는 13.5나노 파장의 극자외선을 이용한다. EUV의 파장이 DUV보다 약 14배 짧은 셈이다. EUV는 한 번 노광으로 더 미세한 회로를 구현할 수 있어 생산성과 수율이 크게 높다.

이머전 DUV는 ASML이 2006년 시장에 처음 출시했다. 중국 업체가 제조하고 있는 장비는 ASML의 2008년 버전 이머전 DUV와 성능이 비슷할 것으로 추정된다. 산술적으로 ASML과 중국의 노광기 기술 격차는 18년인 셈이다. 하지만 중국이 DUV를 국산화한 것은 상당한 성과라는 평가가 지배적이다. 또한 중국은 이를 바탕으로 EUV 노광기 개발에도 박차를 가할 것이라는 예상도 나온다.

중국 DUV 장비 제조사의 이름은 공개되지 않았다. 중국 내에서는 화웨이의 관계사인 '위량성(宇量昇)'일 것으로 추정하고 있다. 지난해 9월 파이낸셜타임스는 SMIC가 위량성이 제작한 이머전 DUV를 테스트하고 있다고 보도한 바 있다. 2022년 상하이 푸둥신구에 설립된 위량성은 비상장사여서 매출이나 수주 규모는 공개되지 않았다.

알려진 사실은 위량성 지분 50%는 상하이 시정부 산하 벤처캐피털이 보유하고 있고, 나머지 50%는 중국의 반도체 장비업체인 사이캐리어가 보유하고 있다는 점이다. 사이캐리어는 선전시 정부 산하 벤처캐피털이 지분 100%를 보유하고 있다. 사이캐리어의 주축이 화웨이의 정밀 장비 개발팀 팀원이라는 점에서 중국 업계는 사이캐리어를 화웨이 관계사로 받아들이고 있다.

ASML의 이머전 DUV 장비 TWINSCAN NXT:2150i / 사진=ASML

중국 DUV 개발의 의미…"반도체 자립의 마지막 퍼즐"

지난 27일 상장된 CXMT는 첫날 주가가 476% 급등하면서 중국 증시 시가총액 1위 기업에 올랐다. 중국의 증권 업계와 매체들은 이번 CXMT의 상장을 중국 반도체 산업의 상징적인 사건으로 평가하고 있다. 단순한 한 기업의 IPO를 넘어서 중국 반도체 산업의 성장, 중국 AI 공급망 국산화, 첨단 기술 자립 등에 대한 투자자들의 긍정적인 기대감이 분출됐다는 해석이 나온다.

이 같은 이유로 중국의 DUV 노광기 개발은 단순히 새로운 반도체 장비를 확보했다는 데 그치지 않는다. 업계에서는 이번 성과를 미국의 반도체 수출 규제를 일부 무력화하고, 중국 반도체 공급망 자립을 한 단계 끌어올릴 수 있는 전환점으로 평가하고 있다.

가장 큰 의미는 미국의 반도체 제재를 우회할 수 있는 기반을 마련했다는 점이다. 중국은 그동안 화웨이를 중심으로 반도체 설계 역량을 키우고, SMIC는 파운드리, CXMT는 D램, 나우라와 AMEC는 식각·증착 장비를 각각 육성해 왔다. 여기에 노광기까지 자체 공급이 가능해질 경우 EUV가 필요한 최첨단 공정을 제외한 상당수 반도체를 자국 기술만으로 생산할 수 있는 기반을 갖추게 된다.

시장에서는 ASML의 사실상 독점 체제가 일부 흔들릴 가능성에도 주목하고 있다. ASML은 지금까지 이머전 DUV 시장에서도 압도적인 경쟁력을 유지해 왔다. 만약 중국 업체가 자국 반도체 기업에 DUV 장비를 안정적으로 공급할 수 있게 된다면 중국 시장에서는 ASML의 입지가 약화될 가능성이 높다. 최근 ASML 주가가 약세를 보인 것도 이러한 우려가 반영된 결과로 해석된다.

다만 한 업계 관계자는 "중국 장비가 ASML과 동일한 기술 수준에 도달했다는 의미는 아니다"라며 "현재 공개된 정보만으로는 중국산 장비의 수율과 생산성, 장기 신뢰성은 아직 검증되지 않았다"고 확대 해석을 경계했다.

국내 반도체 업계도 긴장하고 있다. DUV 장비가 안정적으로 공급되면 SMIC와 CXMT 등 중국 반도체 기업들이 생산능력을 확대하는 데 필요한 장비를 자국에서 조달할 수 있게 된다. 업계 관계자는 "장기적으로 D램과 낸드플래시 공급 확대를 뒷받침할 수 있어 삼성전자와 SK하이닉스의 경쟁 강도를 높이는 요인으로 작용할 수 있다"고 말했다.

사진=SMIC

강경주 한경닷컴 기자 qurasoha@hankyung.com