AI 반도체와 고성능 컴퓨팅 경쟁이 치열해지면서 반도체 미세공정은 더 높은 해상도, 더 낮은 전력소모, 더 높은 생산성을 동시에 요구받고 있다. 이 흐름의 중심에는 EUV(Extreme Ultraviolet) 노광이 있다. 그리고 이제 업계의 시선은 기존 EUV를 넘어 High-NA EUV로 향하고 있다.
하지만 High-NA EUV 시대는 단순히 노광 장비만 바뀌는 것이 아니다. 광원 출력이 커지고 공정 정밀도가 더 높아질수록, 기존에는 상대적으로 덜 주목받았던 부품과 소재도 함께 진화해야 한다. 그중 대표적인 것이 바로 **펠리클(Pellicle)**이며, 차세대 유력 소재로 떠오른 것이 **CNT(Carbon Nanotube, 탄소나노튜브)**다.
최근 반도체 소재 업계에서 CNT 펠리클이 주목받는 이유는 분명하다. High-NA EUV 환경에서 요구되는 높은 EUV 투과율, 낮은 반사율, 우수한 열 안정성, 높은 기계적 강도를 동시에 만족시킬 가능성이 크기 때문이다.
이번 글에서는 High-NA EUV 시대에 왜 CNT 펠리클이 중요한지, 기존 펠리클과 무엇이 다른지, 그리고 앞으로 어떤 산업적 의미를 가질지 정리해본다.
펠리클이란 무엇인가?
펠리클은 포토마스크 위를 덮는 매우 얇은 보호막이다. 노광 과정에서 마스크 표면에 파티클이 직접 붙거나 결함이 발생하면 웨이퍼 패턴에도 그대로 결함이 전사될 수 있다. 펠리클은 이러한 오염을 줄여 수율을 높이는 역할을 한다.
쉽게 말해, 펠리클은 마스크를 보호하는 초박막 방어막이다.
반도체 미세화가 심해질수록 포토마스크의 중요성은 더 커지고, 마스크 오염이 가져오는 수율 손실도 훨씬 치명적이 된다. 따라서 첨단 노광 공정에서는 펠리클의 성능이 단순한 부품 수준을 넘어 생산성과 원가에 직접 영향을 주는 핵심 요소가 된다.
왜 EUV에서는 펠리클이 더 까다로울까?
기존 DUV 노광과 비교하면 EUV는 파장이 13.5nm로 매우 짧다. 파장이 짧을수록 고해상도 패터닝에 유리하지만, 동시에 펠리클 소재 입장에서는 훨씬 까다로운 환경이 된다.
펠리클은 다음 조건을 동시에 만족해야 한다.
- EUV 광을 많이 통과시켜야 한다
- 광학 왜곡이 작아야 한다
- 고온에서도 견뎌야 한다
- 장시간 노광 중에도 형태가 안정적이어야 한다
- 기계적으로 찢어지거나 처지지 않아야 한다
- 화학적으로도 공정 환경을 견뎌야 한다
문제는 이 조건들이 서로 상충하기 쉽다는 점이다.
예를 들어 막을 두껍게 만들면 기계적 강도는 좋아질 수 있지만 EUV 투과율이 떨어질 수 있다. 반대로 너무 얇게 만들면 광학적으로 유리할 수 있어도 실제 장비 운용 환경에서 쉽게 손상될 수 있다.
즉, EUV 펠리클은 “얇고 투명하면서도 강하고 뜨거운 환경을 버틸 수 있어야 하는” 매우 까다로운 소재 문제다.
High-NA EUV가 오면 왜 더 어려워질까?
High-NA EUV는 차세대 EUV 노광 기술이다. 여기서 NA는 Numerical Aperture, 즉 렌즈가 빛을 모으는 능력을 뜻한다. NA가 높아질수록 더 미세한 패턴을 더 정밀하게 형성할 수 있다.
High-NA EUV가 중요한 이유는 분명하다. 첨단 로직 반도체가 2nm 이하 세대로 진입할수록 기존 노광 방식만으로는 해상도와 공정 효율을 유지하기가 점점 어려워지기 때문이다.
업계는 High-NA EUV를 통해 더 미세한 선폭 구현과 멀티패터닝 부담 완화, 공정 단순화, 생산성 향상을 기대하고 있다.
하지만 High-NA EUV는 펠리클 입장에서는 더 가혹한 조건을 의미한다.
- 광원 출력 증가
- 열 부하 증가
- 더 엄격한 광학 성능 요구
- 마스크 이동과 가속 조건 변화
- 더 긴 노광 시간과 더 높은 생산성 요구
이 모든 요소는 펠리클에 가해지는 열적·기계적 스트레스를 높인다. 따라서 기존 재료로는 충분하지 않을 가능성이 커졌고, 이 지점에서 CNT가 강한 후보로 떠오르고 있다.
기존 실리콘계 펠리클의 한계
현재 EUV 펠리클은 주로 실리콘계 멤브레인 기반 제품이 사용되어 왔다. 기존 세대의 EUV 공정에서는 일정 수준 역할을 해왔지만, High-NA와 고출력 노광 환경에서는 몇 가지 한계가 더 부각될 수 있다.
첫째, 열 부하 대응이다. 광원 출력이 올라갈수록 펠리클이 흡수하는 에너지와 국부 온도가 증가한다. 이때 재료가 충분한 열 안정성을 갖지 못하면 처짐, 변형, 열화, 수명 저하 문제가 나타날 수 있다.
둘째, 투과율과 강도의 균형이다. 펠리클은 충분히 얇아야 높은 EUV 투과율을 얻을 수 있지만, 얇아질수록 기계적 안정성이 떨어질 수 있다.
셋째, 미래 공정 대응성이다. 생산성 향상을 위해 광원 출력이 계속 증가하는 방향으로 가고 있기 때문에, 지금 가능한 성능이 아니라 앞으로 요구될 성능까지 감당할 수 있어야 한다.
결국 차세대 펠리클 경쟁의 핵심은 단순히 “현재 사용 가능하냐”가 아니라 **“더 높은 출력과 더 높은 정밀도에서도 계속 버틸 수 있느냐”**로 바뀌고 있다.
CNT 펠리클이 주목받는 이유
CNT는 탄소 원자가 튜브 형태로 배열된 나노 구조체다. 일반적인 탄소 재료와 달리 매우 높은 강도와 우수한 열적 특성, 그리고 얇은 막 구조로 설계할 수 있는 장점을 가진다.
CNT 펠리클이 주목받는 이유는 크게 네 가지로 정리할 수 있다.
1. 높은 EUV 투과율
펠리클은 가능한 한 많은 EUV 광을 통과시켜야 한다. 투과율이 낮으면 노광 효율이 떨어지고 결국 생산성 저하와 비용 증가로 이어진다.
CNT 기반 펠리클은 매우 얇은 멤브레인 구조를 구현할 수 있어 높은 투과율 확보에 유리하다. 업계가 CNT에 주목하는 가장 큰 이유 중 하나도 바로 이 점이다.
2. 우수한 열 안정성
High-NA EUV와 고출력 EUV 환경에서는 펠리클이 받는 열 스트레스가 크게 늘어난다. CNT는 높은 열 안정성을 바탕으로 이러한 환경에서 유리한 후보로 평가된다.
즉, 열 때문에 막이 변형되거나 성능이 저하되는 문제를 줄일 가능성이 있다.
3. 높은 기계적 강도
펠리클은 얇지만 넓은 면적을 안정적으로 유지해야 한다. 기계적 강도가 충분하지 않으면 취급 중 손상되거나 운용 중 변형될 수 있다.
CNT 네트워크는 초박막이면서도 우수한 기계적 강도를 기대할 수 있어, “얇고 강한 막”이라는 펠리클의 이상적인 조건에 더 가까운 소재로 평가된다.
4. 차세대 고출력 장비 대응성
CNT 펠리클은 단지 현재 EUV용 대체재가 아니라, 향후 광원 출력이 더 커지는 환경까지 고려한 차세대 솔루션으로 이야기된다. 즉 “지금보다 더 어려운 조건”을 겨냥한 소재라는 점에서 전략적 의미가 크다.
실제 산업계는 왜 CNT를 움직이기 시작했을까?
CNT 펠리클이 단순한 연구 단계에만 머무는 것은 아니다. 최근 몇 년 사이 산업계 움직임은 꽤 구체적이다.
미쓰이화학은 2024년 차세대 High-NA, 고출력 EUV용 CNT 펠리클 생산 설비 구축 계획을 발표했다. 이는 CNT 펠리클이 단순 연구 아이템이 아니라, 실제 상용화와 양산을 염두에 둔 소재로 이동하고 있음을 보여준다.
특히 High-NA(NA 0.55), 600W 이상 고출력 환경에서 새로운 소재 기반 펠리클의 필요성이 커지고 있으며, 미쓰이화학은 CNT 펠리클의 양산화를 위한 단계로 생산 설비를 마련하겠다고 밝혔다. 이는 업계가 차세대 노광 시대를 대비해 공급망을 미리 준비하고 있다는 의미다.
imec-미쓰이 협력이 의미하는 것
또 하나 중요한 포인트는 imec와 미쓰이화학의 협력이다.
imec는 CNT 기반 펠리클 상용화를 위해 미쓰이화학과 전략적 협력 관계를 발표했으며, 이 과정에서 EUV 투과율 94% 이상, 매우 낮은 EUV 반사율, 1kW를 넘는 EUV 파워를 견디는 특성이 언급됐다.
이 수치가 중요한 이유는 단순하다.
차세대 EUV에서 펠리클이 요구받는 조건은 점점 더 엄격해지고 있는데, CNT 펠리클이 단지 “가능성이 있다” 수준이 아니라 구체적인 성능 목표와 검증 방향을 가지고 개발되고 있다는 점을 보여주기 때문이다.
또한 imec는 이러한 CNT 펠리클이 2025~2026년 시기의 고출력 EUV 시스템을 목표로 하고 있다고 밝힌 바 있다. 이는 CNT 펠리클이 뉴스성 키워드가 아니라 실제 반도체 로드맵 안에서 움직이고 있는 소재라는 점을 시사한다.
CNT 펠리클의 기술적 강점은 무엇인가?
CNT 펠리클의 장점은 단순히 “강하다” 정도로 요약하기 어렵다. 실제로는 광학, 열, 기계, 공정 측면이 함께 맞아야 한다.
광학 측면
펠리클은 노광 이미지 품질에 영향을 주지 않아야 한다. 따라서 높은 투과율뿐 아니라 낮은 반사율, 낮은 flare, 낮은 광학 왜곡이 중요하다. CNT는 이러한 조건을 동시에 맞출 수 있는 유력 후보로 평가된다.
열적 측면
고출력 광원에서 펠리클은 장시간 열을 받는다. 열이 제대로 분산되지 않거나 재료가 열화되면 수명과 성능이 급격히 떨어질 수 있다. CNT는 높은 열 안정성 덕분에 이 부분에서 강점을 가진다.
기계적 측면
초박막 구조는 강성이 부족하면 처짐이 생길 수 있다. 하지만 CNT 멤브레인은 얇으면서도 강도를 기대할 수 있어 대면적 적용 가능성을 높인다.
생산성 측면
펠리클 성능이 좋아지면 같은 장비에서도 노광 효율 개선 여지가 생긴다. 업계에서는 CNT 펠리클이 생산성 향상에 기여할 수 있는 소재로도 보고 있다.
그렇다면 CNT 펠리클이 모든 문제를 해결할까?
현재 단계에서 그렇게 단정하기는 어렵다.
CNT 펠리클이 매우 유망한 것은 맞지만, 실제 양산 부품이 되기 위해서는 여전히 해결해야 할 과제가 있다.
1. 균일한 대면적 제조
펠리클은 작은 샘플이 아니라 실제 마스크 크기에 맞는 대면적 구조여야 한다. 이때 전체 면적에서 두께, 밀도, 투과율, 기계적 특성이 균일해야 한다.
2. 수명과 내구성
한 번 잘 작동하는 것과 장기간 반복 노광을 견디는 것은 다르다. 상용화 단계에서는 장시간 운용 시 수명, 피로, 열화 특성이 중요하다.
3. 결함 관리
펠리클 자체에 결함이 있거나 네트워크 구조가 불균일하면 오히려 광학적 문제가 생길 수 있다. 따라서 제조 공정의 정밀 제어가 필요하다.
4. 공급망과 원가
차세대 소재가 실제로 시장에 안착하려면 성능뿐 아니라 공급 안정성과 원가 경쟁력도 중요하다. 소재가 좋더라도 안정적인 생산 체계가 뒷받침되지 않으면 대규모 채택은 어렵다.
즉, CNT 펠리클은 “가능성이 큰 소재”에서 “대량 양산 가능한 부품”으로 가는 마지막 단계를 통과해야 한다.
High-NA EUV 시대에 왜 ‘소재’가 더 중요해질까?
반도체 업계는 흔히 장비 중심으로 이야기되지만, 실제 성능 향상은 장비만으로 이뤄지지 않는다. 장비가 새로운 세대로 넘어갈수록 그 성능을 뒷받침하는 소재와 부품도 함께 업그레이드되어야 한다.
High-NA EUV 역시 마찬가지다.
- 포토레지스트
- 마스크
- 펠리클
- 코팅 재료
- 광학 부품
- 정밀 세정 기술
이 모든 요소가 함께 발전해야만 고해상도와 높은 수율이 가능하다.
그중에서도 펠리클은 눈에 잘 띄지 않지만, 실제 생산 수율과 장비 가동 안정성에 깊게 연결된 부품이다. 그리고 CNT는 이 펠리클의 차세대 핵심 소재로 점점 위치를 굳혀가고 있다.
앞으로 시장은 어떻게 전개될까?
향후 몇 년간 CNT 펠리클 시장은 크게 세 단계로 전개될 가능성이 크다.
첫째, 성능 검증과 장비 적합성 평가가 계속될 것이다.
둘째, 양산 설비 구축과 샘플 공급 확대가 이어질 것이다.
셋째, High-NA EUV 도입 확대와 함께 실제 고객 채택이 본격화될 수 있다.
특히 AI 반도체, 고성능 로직, 첨단 메모리 공정이 더 미세해질수록 EUV 의존도는 높아질 가능성이 크다. 이 말은 곧 펠리클 성능의 중요성도 함께 커진다는 뜻이다.
즉, CNT 펠리클은 단순히 새로운 소재 하나가 아니라 High-NA EUV 시대를 가능하게 만드는 기반 기술 중 하나라고 볼 수 있다.
결론
High-NA EUV 시대는 반도체 산업에 새로운 해상도와 생산성의 문을 열어주지만, 동시에 기존 소재와 부품에 더 까다로운 조건을 요구한다.
이 과정에서 CNT 펠리클은
- 높은 EUV 투과율
- 낮은 반사율
- 우수한 열 안정성
- 높은 기계적 강도
- 고출력 노광 대응성
이라는 강점을 바탕으로 차세대 핵심 소재로 빠르게 부상하고 있다.
아직 해결해야 할 제조성과 수명, 공급망 과제는 남아 있지만, 최근의 산업 협력과 양산 설비 투자 움직임은 분명한 신호를 보여준다.
앞으로 High-NA EUV가 본격화될수록 업계가 주목해야 할 것은 장비 스펙만이 아니다. 그 장비를 실제 생산 현장에서 안정적으로 돌릴 수 있게 만드는 소재 혁신이다. 그리고 CNT 펠리클은 그 소재 혁신의 중심에 서 있다.
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High-NA EUV 시대가 본격화되면서 CNT 펠리클이 차세대 반도체 핵심 소재로 주목받고 있다. EUV 펠리클의 역할, 기존 실리콘계 펠리클의 한계, CNT의 높은 투과율·열 안정성·기계적 강도, 그리고 차세대 EUV 양산 전망을 정리한다.
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