ASM의 원자층 증착(ALD) 기술이 3D NAND부터 2nm GAA 공정까지 혁신하는 과정을 분석. 한국 화성의 글로벌 R&D 허브화와 친환경 반도체 기술 발전 방향을 심층적으로 탐구합니다.
반도체 기술의 발전은 인간의 삶을 혁신적으로 변화시키고 있습니다. 특히 원자 수준의 정밀한 제어가 가능한 ALD(원자층 증착) 기술은 차세대 반도체 개발의 핵심 열쇠로 주목받고 있죠. 네덜란드의 ASM International은 이 분야의 선두주자로 50년 넘게 기술 혁신을 이끌어 왔습니다. 최근 3D NAND, HBM, GAA 트랜지스터 등 첨단 소자 구현에 ASM의 ALD 기술이 결정적인 역할을 하면서 그 중요성이 더욱 부각되고 있습니다. 이 글에서는 ASM이 어떻게 ALD 기술을 진화시켜 왔는지, 그리고 이 기술이 한국 반도체 산업에 어떤 변화를 가져오고 있는지 깊이 있게 살펴보겠습니다.
ALD 기술의 핵심 원리와 ASM의 진화 과정
원자 하나까지 정확히 쌓는 기술의 비밀
ALD 공정은 레고 블록을 쌓듯 원자층을 한 겹씩 증착하는 기술입니다. 전구체 가스와 반응 가스를 번갈아 주입하면서 각 단계마다 화학적 흡착 반응을 일으켜 박막을 형성하는데요. 이 과정에서 자기제한적 특성 덕분에 0.1nm 단위의 극미세 두께 조절이 가능합니다. ASM이 개발한 PEALD(플라즈마 강화 ALD)는 기존 열적 ALD보다 150°C 낮은 온도에서 공정이 가능해 유기물 기판에도 적용할 수 있게 되었죠.
ASM의 기술력은 2005년 국내 벤처기업 지니텍을 인수하며 확보한 PEALD 원천 기술에서 비롯되었습니다. 당시 지니텍은 KAIST와 공동 개발한 저온 ALD 기술을 보유하고 있었는데, 이 인수를 통해 ASM은 3D NAND용 갭필 기술을 개발하는 데 성공했습니다. 현재 ASM의 PEALD 장비는 전 세계 시장의 60% 이상을 점유하며 D램과 낸드플래시 생산에 필수적인 장비로 자리잡았습니다.
패턴 오류를 근본적으로 해결하는 AS-ALD
5nm 미만의 초미세 공정에서는 엣지 배치 오류(EPE)가 큰 문제였습니다. ASM이 개발한 영역 선택적 ALD(AS-ALD)는 화학적 표면 개질을 통해 특정 영역에만 박막을 증착하는 기술인데요. 이 기술로 인해 기존보다 마스크 공정 단계를 30% 이상 줄일 수 있게 되었습니다. 실제로 삼성전자의 3nm GAA 공정에 적용되어 트랜지스터 성능을 23% 향상시킨 사례가 대표적입니다.
글로벌 생산망 속 한국의 전략적 위상
화성 R&D 허브의 부상
경기도 화성에 위치한 ASM 코리아는 전 세계 PEALD 장비의 70%를 생산하는 글로벌 메인 공장입니다. 2025년 완공 예정인 제2연구혁신센터는 14,000㎡ 규모의 R&D 공간과 22,000㎡의 생산 시설로 구성되어 2nm 공정용 ALD 솔루션 개발에 주력하고 있죠. 이 센터에는 포항공대와의 협력으로 개발 중인 2D 소재 결합 기술이 적용될 예정입니다.
특히 한국 법인은 ASM 전체 매출의 35%를 담당하며, 삼성과 SK하이닉스에 대한 기술 지원을 전담하고 있습니다. 2023년 기준 ASM 코리아의 현지 조달률은 70%에 달하며, 국내 협력업체 80여 개사와 생태계를 구축하고 있습니다. 이는 단순한 생산 거점을 넘어 기술 개발의 핵심 거점으로 자리매김한 모습입니다.
인재 양성 시스템의 혁신
ASM은 한국에서 연간 200명 이상의 반도체 엔지니어를 채용하며 현지 인재 풀을 확대하고 있습니다. 세미콘 코리아 2025에서는 'ALD 마스터 클래스' 프로그램을 운영해 실무 중심의 교육을 제공했는데요. 포항공대와의 공동 연구 과정에서 배출된 인재들이 ASM의 핵심 R&D 팀을 이끌고 있다는 점이 흥미롭습니다.
첨단 공정 적용 사례와 기술적 성과
3D NAND 300단 시대를 연 갭필 기술
256단 이상의 3D 낸드에서 층간 절연막 형성은 기술적 난제였습니다. ASM의 TENZA™ ALD 기술은 종횡비 100:1의 초미세 구조에서도 99.9%의 충진율을 달성했는데요. 이는 기존 CVD 대비 박막 두께 편차를 1.5nm 이하로 줄인 결과입니다. 엔비디아의 H100 GPU에 탑재된 SK하이닉스의 HBM3E는 이 기술로 생산된 12μm 두께의 절연막이 적용되었죠.
EUV와의 시너지 효과
3nm GAA 공정에서는 ALD의 정밀도가 EUV 리소그래피 성능을 좌우합니다. ASM은 알루미나(Al₂O₃) ALD 기술로 EUV 마스크 보호막을 개발했는데요. 13.5nm 파장에서 88%의 투과율을 달성하며 마스크 수명을 기존 대비 3배 연장시켰습니다 인텔의 18A(1.8nm) 공정에 적용된 이 기술은 패턴 오버레이 정확도를 0.3nm 수준으로 향상시켰습니다.
지속 가능한 기술 발전의 방향
친환경 공정 혁신
ASM은 2035년 넷제로 목표를 설정하고 수소 기반 전구체를 도입했습니다. 기존 불소계 전구체 대비 온실가스 배출량을 70% 줄인 이 기술은 2024년부터 본격 적용되고 있죠. 또한 폐기물 재활용률 95%의 순환형 챔버 설계로 장비당 에너지 소비량을 30% 절감했습니다.
차세대 소재 개발 전략
실리콘 카바이드(SiC) 전력반도체 시장 공략을 위해 PE2O8 에피택시 시스템을 출시했습니다. 8인치 웨이퍼에 5μm 두께의 에피층을 2% 편차로 증착하는 이 장비는 전기차 인버터 효율을 15% 높일 것으로 기대됩니다. 울산에 건설 중인 SiC 전용 라인은 2027년까지 시장 점유율 25% 달성을 목표로 합니다.
기술 논쟁과 미래 과제
논점 1: 생산성 vs 정밀도
일부 전문가들은 ALD의 낮은 처리량이 3nm 이하 공정의 병목 현상을 유발할 수 있다고 지적합니다. ASM은 이에 대해 쿼드 챔버 모듈(QCM)을 도입해 4개의 챔버를 동시 운영함으로써 생산성을 300% 향상시켰다고 반박합니다. 2025년 출시 예정인 Eagle XP8은 8개 챔버 구성으로 5nm 미만 공정 수요를 충당할 계획입니다.
논점 2: 장비 국산화의 모순
ASM 코리아의 높은 현지화율에도 불구하고 핵심 부품은 여전히 수입에 의존한다는 비판이 있습니다. 이에 ASM은 2024년까지 국내 협력사와 공동 개발한 스마트 노즐 시스템을 도입하며 부품 국산화율을 85%까지 끌어올릴 예정이라고 밝혔습니다.
다양한 관점의 해석
- 경제학자 시각: ALD 장비 시장의 연평균 성장률(CAGR) 12%는 반도체 산업 전체 성장률(6%)을 크게 상회하며, 기술 우위 기업에 집중되는 현상이 두드러짐
- 환경 전문가 평가: ALD 공정의 탄소 배출량이 CVD 대비 40% 낮아 친환경 반도체 생산의 핵심 기술로 부상
- 노동 전문가 지적: ALD 기술 발전이 단순 작업 인력 수요 감소를 유발하는 동시에 고급 공정 엔지니어 수요는 급증하는 양극화 현상 초래
결론: 기술 주권 시대의 새로운 패러다임
ASM의 ALD 기술 발전은 단순한 장비 성능 향상을 넘어 반도체 생태계의 구조적 변화를 이끌고 있습니다. 화성 R&D 센터의 확장은 한국을 글로벌 반도체 장비 산업의 중심지로 부상시키는 계기가 되었죠. 2025년 이후 원자층 공학(ALE)으로의 진화는 소재 개발부터 공정 최적화까지 통합적인 혁신을 가능케 할 것입니다. 이는 AI와 양자 컴퓨팅 시대를 열어갈 핵심 인프라가 될 것이며, 기술 주권 경쟁에서 한국의 입지를 강화하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.
