SK하이닉스, 日서 차세대 ‘나노임프린트’ 장비 도입… “3D 낸드 고도화”

2025년 나노임프린트 기술로 3D 낸드 양산 목표
200단대 넘어간 3D 낸드 생산성 높인다
“테스트 결과 긍정적, 캐논서 장비 추가 주문할 듯”

경기도 이천에 위치한 SK하이닉스 M16 공장 전경. /SK하이닉스 제공

SK하이닉스가 올해 일본 광학장비 기업 캐논으로부터 ‘나노임프린트(NIL) 리소그래피’ 생산장비를 도입해 테스트 중인 것으로 알려졌다. 2025년쯤 해당 장비를 활용해 3D 낸드플래시 양산을 목표로 연구개발(R&D)을 진행 중이며 현재까지 테스트 결과가 긍정적이어서 추가적인 양산용 설비 주문도 이뤄질 전망이다.

4일 반도체업계에 따르면 SK하이닉스는 올해 캐논으로부터 NIL 테스트 장비를 구입해 3D 낸드 생산공정에 적용하는 테스트 작업을 진행중이다. 업계 최선단 공정에 활용되고 있는 극자외선(EUV) 노광장비보다도 차세대 장비로 여겨지는 NIL은 그동안 연구개발 수준에서만 다뤄져왔다.

차세대 리소그래피(설계 레이아웃이 새겨진 유리 원판 위로 광원을 쏴 감광액이 도포돼 있는 웨이퍼에 회로 패턴을 형성하는 공정) 기술로 각광받아온 NIL은 나노 패턴이 각인된 스탬프를 사용해 마치 도장을 찍듯 실리콘 웨이퍼 위에 나노 패턴을 전사하는 방식이 특징이다.

액체인 자외선(UV) 감광액을 실리콘 기판 위에 코팅한 후 투명한 스탬프를 접촉시키고 압력을 가하면 스탬프 사이로 패턴이 형성한다. 이후 광원을 투사해 패턴을 고체화 시킬 수 있음. 저렴한 UV를 광원으로 활용하고 렌즈를 사용하지 않기 때문에 기존 불화아르곤(ArF) 이머전 장비나 최대 2000억원대를 호가하는 EUV 노광 장비를 사용하는 것 보다 경제적이라는 평가다.

기존 ArF 장비로 형성할 수 있는 물리적 회로 선폭 한계치는 38나노에 그친다. 주요 반도체 생산 업체들은 이머전 ArF 노광기로 회로 패턴을 두 번 혹은 세 번에 걸쳐 형성하는 더블패터닝 기술을 도입해 20나노 이하까지 선폭을 좁혀왔다. 다만 이런 멀티 패터닝 공정을 도입하면 생산 시간이 길어지고 증착 및 식각 등 도입 장비 수도 늘려야 한다. 이럴 경우 공간을 더 차지하기 때문에 생산 라인의 총 생산 용량이 줄어드는 부정적 효과가 크다.

SK하이닉스에 정통한 관계자는 “기존의 ArF 이머전 장비로는 수차례 패터닝을 형성해야 해서 공정 숫자가 늘어나고 이에 따른 생산비용이 증가한다”며 “통상 4회의 멀티 패터닝이 필요한 기존 공정에 비해 제조 비용은 NIL이 훨씬 낫다는 것은 어느 정도 확인됐다”고 설명했다.

다만 NIL 기술도 아직 완전한 것은 아니다. 해당 관계자는 “NIL은 EUV와 비교해 패턴 형성의 자유도가 떨어지기 때문에 일정한 패턴을 유지하는 낸드플래시 생산에 우선 적용될 것이며 SK하이닉스가 NIL 장비 구매에 나선 것도 이 때문”이라고 덧붙였다.

NIL이 상용화될 경우 SK하이닉스를 비롯한 낸드 제조기업들은 200단대부터 점점 공정 난도가 높아지고 있는 3D 낸드 생산성을 높일 수 있을 것으로 보인다. 3D 낸드의 경우 적층수를 높이기 위해 온갖 종류의 화학약품 처리를 통해 표면장력(surface tension)을 낮추는 것이 관건인데, 200단을 넘어가면서 이 공정이 점점 어려워지고 있다는 설명이다.

SK하이닉스 관계자는 “나노 임프린트 기술 상용화와 관련해 아직 확정된 것은 없다”고 설명했다.

한편 경쟁사인 삼성전자 역시 멀티 패터닝 공정 도입으로 인한 원가 상승 문제를 해결하기 위해 일찌감치 극자외선(EUV) 노광장비를 도입했으며 이외에도 NIL을 포함한 3~4가지의 솔루션을 개발하고 있는 것으로 알려졌다.

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