美日이 놀랐다... 삼성 반도체, 켐트로닉스 PGMEA 퀄 테스트/ [차세대 리소&패터닝 경쟁①] 캐논 NIL, ASML의 'EUV 아성' 깰

인체 유해 베타 이성질체(異性質體) 프리 제품으로 전환 목표

삼성전자에서 반도체 사업을 맡는 디바이스솔루션(DS) 부문이 국내 업체가 신규 개발한 고순도, 친환경 '프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트(PGMEA:Propylene Glycol Methyl Ether Acetate)'를 생산 공정용 전자재료 전반에 적용하기 위해 발 빠르게 움직이고 있다.

테스트가 통과되면 미국과 일본 기업이 대부분 공급하는 반도체용 고순도 PGMEA 시장 지형도도 변화할 것으로 예상된다. 국내 업체가 개발한 PGMEA는 인체에 유해한 것으로 알려진 베타(B) 이성질체(異性質體, Isomer)가 거의 함유되지 않은 '프리' 제품인 것도 특징이다.

과거 이른바 백혈병 홍역을 앓았던 삼성 반도체이기에 '인체에 유해할 수 있는' 물질을 생산 공정에서 선제적으로 제거하는 것이라는 분석도 나온다.

13일 업계에 따르면 삼성전자는 켐트로닉스가 생산한 고순도 PGMEA를 생산 공정에 적용하기 위해 품질 테스트를 진행 중이다. 이르면 올 연말, 늦어도 내년 1분기에는 품질 테스트에 통과할 수 있다고 업계 관계자는 설명했다. 이와 관련 켐트로닉스는 기존 PGMEA 생산능력을 연 1만톤에서 2만5000톤으로 확대하기 위해 170억원을 투자한다고 최근 발표했다. 켐트로닉스는 자사 PGMEA가 99.999%(5N) 초고순도를 달성했다고 밝히고 있다.

PGMEA는 다양한 전자재료에 들어가는 솔벤트, 즉 용제(溶劑)로 쓰인다. 용제는 다른 물질을 용해(溶解)하기 위해 쓰는 액체나 가스류 물질이다. 용해란 어떤 물질이 다른 물질에 녹아 고루 섞이는 현상을 말한다.

PGMEA가 용제로 쓰이는 반도체용 전자재료 가짓수는 다양하다. 대표 재료가 노광 공정에 쓰는 포토레지스트(PR), 감광액이다. 10나노 미만 로직 공정이나 10나노 초반대 D램을 생산할 때 쓰는 극자외선(EUV) 공정용 PR에는 99.999%(5N) 초고순도 PGMEA가 활용된다. 노광 공정에서 감광 반응이 일어나지 않은 감광 물질을 씻어내는 신너(Thinner)의 주성분도 PGMEA다.

노광 공정용 보조 전자재료인 반사방지막(BARC:Bottom Anti-reflection Coating)에도 PGMEA가 쓰인다. 반사방지막은 PR가 발라지기 전, 기판 위에 코팅돼 빛 반사됨을 방지한다. 이를 통해 빛 반사로 PR 패턴이 무너지는 현상을 막는다. PGMEA는 미세 패턴 붕괴 현상을 방지하기 위한 스핀-온-하드마스크(SOH:Spin-On-Hardmask) 재료에도 섞인다. 탄소(Carbon) 물질이 기반이어서 SK하이닉스 등에선 해당 재료를 SOC(SOH:Spin-On-Carbon)라고도 부른다.

켐트로닉스 PGMEA를 업계에서 '혁신'이라 부르는 이유는 베타 이성질체 함유량을 기존 10~20ppm에서 1~2ppm 수준으로 낮췄기 때문이다. 이성질체는 같은 원자 번호와 질량수를 가지지만 다른 물리 화학적 성질을 갖는 화합물이다. 물질 합성시 이성질체가 생길 수 있다. PGMEA에 함유된 베타 이성질체는 생체독성이 강해 불임이나 기형아를 유발할 수 있다는 연구가 있다. 삼성전자 내에서도 PGMEA에 함유된 베타 이성질체를 2급 유해물질로 분류하고 있다. 1급 유해물질은 쓰면 안되는 것, 2급은 '대체제가 있다면 바꿔야 할 물질'로 정의된다.

삼성전자는 우선 공정 중요도가 낮은 순서로 켐트로닉스 PGMEA를 적용, 확대해 나갈 예정이다. 신너에 먼저 적용한다. 삼성 퀄 테스트가 통과되면 켐트로닉스 PGMEA는 동우화인켐으로 공급돼 신너로 만들어져 삼성전자로 들어간다. 업계 한 관계자는 "순도도 중요하지만, 베타 이성질체를 최소한으로 줄인 것이 주효한 것으로 보인다"면서 "앞으로 PGMEA는 베타 이성질체 프리 제품과 그렇지 않은 제품으로 나뉠 것"이라고 말했다.

가격은 관건이다. 기존 PGMEA는 가격이 kg당 2달러 수준이다. 베타 이성질체 함유량을 낮추려면 증류 등 공정 시간이 길어지고, 원가는 올라갈 수 밖에 없다. 최종 고객사인 삼성전자가 높아진 원가를 반영해주느냐가 실적 확대 포인트다.

한편 켐트로닉스 케미칼 화학 사업의 주요 경쟁사인 재원산업도 켐트로닉스와 동일한 고순도, 1~2ppm 수준의 낮은 베타 이성질체 함유량을 달성한 PGMEA를 이미 개발 완료했다고 밝히고 있다. 재원산업은 연간 2만4000톤 수준의 PGMEA 양산 시설을 갖추고 있다. 삼성전자가 요구하는 고순도 친환경 제품으로 생산 전환을 이뤄갈 예정인 것으로 전해졌다. 켐트로닉스와는 치열한 경쟁이 예상된다.


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[차세대 리소&패터닝 경쟁①] 캐논 NIL, ASML의 'EUV 아성' 깰 수 있을까?
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[차세대 리소&패터닝 경쟁①] 캐논 NIL, ASML의 'EUV 아성' 깰 수 있을까? - 전자부품 전문 미디어 디

NIL, EUV 대비 공정 복잡도, 비용, 소모 전력 축소 가능
캐논 CEO "새로운 기회와 수요를 창출할 것이라고 확신"
키옥시아, SK하이닉스 등 낸드 기업 NIL 양산 테스트 중

일본 캐논이 출시한 나노임프린트리소그래피시스템(NIL)에 대한 관심이 뜨겁다. ASML의 극자외선(EUV) 장비 시장 독점을 깰 수 있다는 전망이 나오면서다. 캐논의 NIL 장비는 기존 EUV나 극자외선(DUV)과 달리 웨이퍼 위에 전사하는 형태로 패턴을 만든다. 캐논은 NIL 장비를 통해 현재 5nm 공정 수준의 반도체 생산이 가능하며, 향후 2nm 구현도 가능하다고 전했다.

현재 대부분의 포토 공정은 광원을 통해 패턴을 형성한다. 7nm 이상의 미세공정의 경우 EUV 장비를 사용하고 있으며, 그 외 공정에는 심자외선(DUV) 장비가 쓰인다. 광원을 통해 패턴을 형성하는 방식의 경우, 먼저 웨이퍼에 포토레지스트(PR)를 도포한 뒤, 반도체 패턴이 그려진 포토마스크에 광원을 쐬어 준다. 이 과정을 거치면 웨이퍼 위에 일정한 패턴이 만들어진다. 패턴을 생성한 후에는 현상 과정을 거친다. 빛을 받아 변성된 PR을 디벨로퍼를 통해 제거한다.

캐논의 NIL은 광원이 아닌 웨이퍼에 전사하는 방식으로 패턴을 만든다. 도장을 찍는 방식과 유사하다. 다만, 도장은 인주를 묻혀 패턴을 만들지만, 캐논 NIL은 분사된 PR에 패턴을 찍는 정도의 차이가 있다. 캐논 NIL의 경우, 먼저, 잉크젯 기술을 이용해 웨이퍼 표면에 PR을 분사한다. 그 후 회로 패턴이 새겨진 마스크(스탬프)를 눌러 패턴을 새긴다. 그 뒤 자외선(UV)을 조사해, 패턴을 형성한다.

캐논은 NIL을 통해 광원 기반 포토 공정 대비 공정 복잡도를 대폭 축소할 수 있다는 입장이다. 또 EUV 장비 대비 전력 소모와 장비 가격도 낮다고 전했다. 미타라이 후지오 캐논 CEO는 지난달 블룸버그와 진행한 인터뷰에서 NIL 장비 FPA-1200NZ2C에 대해 "가격이 ASML의 EUV보다 한 자릿수 낮을 것"이라고 말했다. 캐논 NIL 장비는 아직 최종 가격이 정해지지 않은 상태다.

NIL 장비를 통해 공정 테스트를 진행하고 있는 기업도 있다. 일본 낸드 기업 키옥시아와 SK하이닉스 등이다. 두 기업은 NIL 장비를 통해 낸드를 양산하는 방식을 검토 중인 것으로 알려졌다. 낸드 기업들이 NIL 도입 검토에 나선 이유는 낸드의 단순한 구조 때문이다. NIL은 EUV 대비 패턴 형성에 제한이 있어, 낸드와 같은 구조에 적합하다. 회로도가 복잡한 비메모리 등에는 적용하기 어렵다.

다만, NIL 장비를 실제 공정에 도입하기 위해서는 넘어야 할 허들이 많다. 가장 큰 문제는 웨이퍼의 왜곡 문제다. 웨이퍼를 마스크로 누르고 UV를 조사하는 과정 중 미세한 왜곡이 발생할 수 있다. 반도체 업계관계자는 "EUV 공정에서도 왜곡을 잡는게 쉽지 않다"며 "물리적으로 접촉하는 방식인 NIL의 경우, 왜곡이 발생할 수밖에 없는 구조"라고 설명했다. 이어 "NIL은 반도체 애플리케이션에 적합지 않은 솔루션"이라고 부연했다. 캐논은 이러한 왜곡을 해결하기 위해 레이저를 방출해 웨이퍼를 재정렬하는 기술 등을 개발했다.

또 NIL 도입을 위한 공급망 형성도 과제다. NIL을 양산 라인에 도입하기 위해서는 NIL용 소재 개발부터, 부품, 장비 개발 등이 추가로 필요한 상황이다. 미타라이 CEO는 "NIL이 EUV를 추월할 것이라고 기대하지는 않지만, 이 기술이 새로운 기회와 수요를 창출할 것이라고 확신한다"며 "이미 많은 고객들로부터 문의를 받고 있다"고 밝혔다.