Semi Doped · 팟캐스트MUST ASSET — 유튜브 매거진

리소그래피 마스터클래스 — 빛의 파장이 반도체 경제를 지배한다

DUV→EUV→High NA 진화의 물리·경제적 한계, 그리고 판을 뒤집으려는 두 스타트업의 승부수

2025년 5월 22일출연: Austin Lyons (Chip Strat) · Vic Shaker (Vic's Newsletter) · 테마: 리소그래피, EUV, CapEx, X-Light, Substrate, ASML, TSMC

3줄 요약

팹 신설 비용은 20~30억 달러에 달하며, EUV 장비 한 대 가격이 Low NA $250M → High NA $400M → Hyper NA ~$1B으로 치솟으면서 "Rock's Law(팹 비용 4년마다 2배)" 가 Moore's Law를 압도하기 시작했음.
스타트업 X-Light는 자유전자레이저(FEL)로 EUV 광원만 교체, ASML 스캐너에 빛을 유틸리티처럼 공급("광자 서비스")해 팹의 CapEx 부담을 줄이는 모델을 추진 중.
스타트업 Substrate는 X선 리소그래피 재도전으로 장비 비용을 대폭 낮춰, GlobalFoundries·TI 같은 레거시 팹도 2nm급 생산이 가능해지는 지정학적 게임체인저를 꿈꿈.

한눈에 — 다룬 테마·기업

종목/테마	발언자	톤	핵심 한 줄
EUV CapEx 위기	Austin · Vic	Bearish	Hyper NA 한 대 ~$1B, 팹 하나에 15대 필요 → 경제 스케일링 붕괴
$ASML · DUV→EUV 진화	Austin · Vic	중립	20년 개발의 결정체, TSMC조차 DUV 멀티패터닝 선호할 만큼 가격 부담
$TSM (TSMC)	Vic	중립	EUV 비선호, DUV 멀티패터닝 최대한 유지 전략 — 업계 CapEx의 병목
멀티패터닝	Austin	중립	LELE·쿼드패터닝으로 한계 극복, 대신 처리량 1/4 → 원가 급등
X-Light (스타트업)	Austin	Bullish	FEL 광원으로 ASML 스캐너에 "빛 유틸리티" 공급, Pat Gelsinger 참여
Substrate (스타트업)	Austin · Vic	Bullish	X선 리소그래피 재도전 — 비용 혁신 시 레거시 팹의 첨단 노드 진입 가능

EUV CapEx 위기Bearish

팹 하나 짓는 데 30조 원 — "Rock's Law"가 Moore's Law를 잡아먹고 있다

Austin Lyons · Vic Shaker · 리소그래피 경제학 ·

💡 핵심 통찰

Moore's Law의 진짜 의미는 "같은 돈으로 더 많은 트랜지스터"라는 경제 명제였다. 그런데 Rock's Law(팹 비용 4년마다 2배)가 Moore's Law(트랜지스터 2년마다 2배)보다 느리게 증가해야 이 공식이 성립한다. 지금은 EUV 장비 가격 급등으로 트랜지스터당 비용이 오히려 상승하기 시작, 수십 년간 유지된 경제적 스케일링 법칙이 흔들리고 있음.

Low NA EUV 1대

$250M 구세대

High NA EUV 1대

$400M 현행

Hyper NA EUV 1대

$600M~$1B 예상(수출통제 영향 포함)

Intel Fab 52 EUV 수량

15대 (Arizona)

최신 팹 총 건설비

$20B~$30B 1개 기준

왜 비싼가: EUV 장비 자체만의 문제가 아님. 팹은 나노미터 수준의 진동 차단을 위해 전체 생산 층을 피스톤 위에 부유시키고, Class 1 클린룸용 HVAC 시스템, 대형 전원공급장치를 수용할 서브팹 층까지 갖춰야 한다. 건설 기간도 3~5년이 소요됨.

TSMC의 선택: Vic은 Gavin Baker 인터뷰를 인용하며, TSMC가 EUV 도입에 소극적이고 DUV+멀티패터닝을 최대한 끌고 가려 한다는 점이 "버블이 아닌 이유"와도 연결된다고 지적. TSMC의 CapEx 보수주의가 전체 업계 공급을 제약하는 병목이라는 시각.

Intel의 "Copy Exactly" 전략: 배관, 심지어 페인트 브랜드까지 동일하게 복제해 수율을 지키는 방식. 유연성을 희생하고 안정성을 택한 것인데, 이것이 오히려 속도를 늦추는 부작용도 있었음.

"웨이퍼당 비용은 계속 올라야 한다. 월 수만~10만 장의 웨이퍼 스타트로 20~30억 달러 투자를 상각해야 하기 때문이다."

쉽게 풀어보기 — Rock's Law와 Moore's Law

Moore's Law: 집적회로 트랜지스터 수가 2년마다 2배 증가한다는 관찰(경제적 명제: 같은 가격에 2배 성능).
Rock's Law: 반도체 팹 건설 비용이 4년마다 2배 증가한다는 관찰. 팹 비용 증가 속도가 트랜지스터 밀도 증가 속도보다 느려야 무어의 법칙이 경제적으로 성립.
트랜지스터당 비용 역전: 최근 팹 비용 증가 속도가 너무 빨라져 트랜지스터당 원가가 하락을 멈추거나 오히려 상승하는 구간에 진입 중.

DUV → EUV · 멀티패터닝중립

193nm 아르곤불화물에서 13.5nm 주석 플라즈마까지 — 반도체 빛의 역사

Austin Lyons · Vic Shaker · 리소그래피 기술 ·

💡 핵심 통찰

리소그래피는 결국 "더 짧은 파장 + 더 높은 개구수(NA)"로 더 작은 선폭을 그리는 싸움이다(Rayleigh 기준). EUV는 한 번에 10배 이상 파장을 줄인 도약이었지만, 그 광원을 만들기 위해 인류는 주석 액적을 레이저로 두 번 타격해 플라즈마를 폭발시키는 방식을 택했다. 이 과정에서 생성된 빛이 13개 이상의 거울을 거치면서 웨이퍼에 도달하는 광량은 전체 발생량의 한 자릿수 %에 불과.

I-line (1980년대)

365nm

KrF (1990년대)

248nm

ArF 이머전 DUV

193nm 물을 통과

EUV (현행)

13.5nm 주석 플라즈마

리소그래피의 기원: Vic이 소개한 역사적 일화 — TI에서 일하던 Jay Lathrop이 현미경을 거꾸로 뒤집으면 크고 작아지는 것을 보고 "마스크를 반대쪽에서 빛을 쏘면 패턴이 작아진다"는 아이디어를 떠올렸고, 이것이 광학 리소그래피의 출발점이 됨.

이머전 리소그래피의 반전: ArF(193nm)의 한계에 부딪혔을 때 누군가 "마스크 위에 극초순수 물을 올리자"는 아이디어를 냈고, 이것이 실제로 수율 향상과 NA 개선을 이끌었음. Austin은 "역사에서 가장 단순하면서 가장 영리한 아이디어 중 하나"라고 평가.

멀티패터닝 — 미식축구장 비유: 10야드 간격으로만 줄을 그을 수 있는 기계가 있어도, 5야드 오프셋해서 두 번 그리면 5야드 간격이 완성된다. 이것이 LELE(Litho-Etch-Litho-Etch)의 핵심. SMIC는 EUV 없이 이 쿼드패터닝으로 7nm → 5nm급 달성. 단, 쿼드패터닝은 스텝이 4배 늘어나 처리량이 1/4로 줄고 마스크 정렬 오차도 누적됨.

EUV가 멀티패터닝을 완전히 없애지 못하는 이유: 해상도 자체는 충분하지만, 단위 면적에 닿는 광자 수(도즈)가 적어 포토레지스트 노출의 확률적 불균일(stochastic defect)이 발생. 마치 스프레이 페인트처럼 선 가장자리가 뭉개짐. 수율을 위해 EUV에서도 일부 멀티패터닝이 필요한 이유.

"EUV는 20년을 개발한 인류의 공학적 성취다. 그리고 그 기술은 원래 미국에서 개발된 것이었는데, 수출 통제 이전 시대에 ASML에 팔아넘겼다."

쉽게 풀어보기 — EUV 광원 작동 원리

LPP (레이저 생성 플라즈마): 50마이크론 크기의 주석 액적을 진공 챔버에 낙하시키면서 레이저로 두 번 타격. 두 번째 타격에서 13.5nm EUV 빛이 폭발적으로 방출됨.
Mo/Si 다층 거울: EUV는 유리를 투과하지 못해 반사 광학계만 사용. 몰리브덴·실리콘을 40~50층 교대로 쌓은 거울이며, 독일 전체 크기로 확대해도 표면 굴곡이 0.1mm 이하일 정도로 평탄.
광량 손실: 거울 반사마다 소량 손실이 누적되어, 최종적으로 웨이퍼에 도달하는 EUV 광량은 발생량의 한 자릿수 %에 불과.

$ASML · High NA / Hyper NABearish(비용)

개구수를 올리면 크기는 줄지만 면적도 반 토막, 가격은 2배 — 출구가 없는 딜레마

Austin Lyons ·

💡 핵심 통찰

High NA(0.55)로 가면 선폭이 약 1.5~1.7배 미세해지지만, 아나모픽 광학계 때문에 한 번에 노광할 수 있는 면적이 절반(Half Field)으로 줄어든다. $250M짜리 Low NA 장비 1대로 커버하던 면적을 $400M 장비 2대로 대체해야 하는 셈. Hyper NA로 가면 거울은 더 커지고 엔지니어링 난이도는 지수적으로 올라감 — "독일 크기의 거울에서 불규칙성이 0.1mm"를 더 크게 만들어야 하는 것.

Low NA

0.33 NA Full Field

High NA

0.55 NA Half Field, $400M

크기 개선

1.5~1.7x 미세화

Half Field 문제: High NA 스캐너는 노광 면적이 절반. ASML은 스테이지(메카트로닉스)를 전투기급 가속도로 더 빠르게 움직여 생산성 손실을 보상하려 하고 있음. 실제로 ASML 유튜브 채널에서 그 가속도 영상을 확인할 수 있다고 Austin이 언급.

Zeiss의 독점: 이 초평탄 Mo/Si 다층 거울은 Zeiss만 제조 가능. 스타트업이 "새로운 ASML"이 되려 해도 "새로운 Zeiss"를 먼저 찾아야 한다는 구조적 진입 장벽이 존재.

ASML의 비용 절감 로드맵: IMEC ITF World Conference에서 ASML이 노광당 비용(cost per exposure) 절감 로드맵을 공개했다고 언급. 구체적 수치는 미공개 상태.

X-Light (스타트업)Bullish

광자를 전기처럼 파는 스타트업 — 자유전자레이저로 ASML 스캐너에 빛을 배달

Austin Lyons (Chip Strat 기고 기반) ·

💡 핵심 통찰

X-Light의 핵심 아이디어는 광원(LPP)과 스캐너의 분리. 기존 EUV는 장비 1대에 광원이 내장되어 있어 스캐너 수만큼 광원 비용이 발생한다. X-Light는 팹 옆에 FEL 1기를 설치해 여러 ASML 스캐너에 동시 급광(給光)하고, 소비한 광자량만큼 과금하는 "광자 서비스(Photons-as-a-Service)" 모델을 추구. Pat Gelsinger가 이사회에 참여 중인 것으로 알려짐.

FEL(자유전자레이저)이란: 전자를 광속에 가깝게 가속한 후 '언듈레이터'로 진동시켜 코히런트 빛을 생성. 파장을 1nm 이하까지 조정 가능하며, 출력 파워가 기존 LPP 대비 훨씬 높음.

초기 전략 — 13.5nm부터 호환성 우선: X-Light는 처음에 기존 EUV와 동일한 13.5nm로 빛을 공급해 기존 ASML 스캐너·마스크·포토레지스트를 그대로 쓸 수 있게 함. 업계가 전환 비용 없이 도입 가능.

수율·처리량 동시 개선: 더 강한 광원 → 같은 시간에 더 많은 광자 → 단위 노광 시간 단축(처리량 ↑) 또는 더 긴 노광으로 광자 통계 개선(수율 ↑). 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있음.

비즈니스 모델: X-Light가 CapEx를 직접 부담해 팹 인근에 FEL을 구축하고, TSMC 등 고객은 사용량 기반으로 빛 값을 지불. 전기·수도처럼 인프라 유틸리티화. 관계가 형성되면 추후 1nm 파장 빛을 프리미엄에 판매하는 업셀도 가능.

"광자 수를 세어서 청구하는 거잖아요. 한 달 뒤에 빛 청구서가 날아오는 거죠, 리소그래피용."

쉽게 풀어보기 — FEL과 기존 EUV 광원 비교

LPP (기존): 주석 액적 + 이중 레이저 타격으로 플라즈마 생성 → 13.5nm. 스캐너 내장형, 장비 1대 1광원.
FEL (X-Light): 전자 가속 + 언듈레이터 → 파장 가변 코히런트 빛. 대용량 외장형 광원으로 여러 스캐너에 동시 공급 가능.
핵심 차이: FEL은 파워가 크고 파장 조정이 자유로우나 설비 규모가 큰 편. X-Light는 이를 "팹 옆 유틸리티 설비"로 포지셔닝해 CapEx를 자체 부담.

Substrate (스타트업)Bullish

X선 리소그래피 30년 만의 재도전 — 성공하면 레거시 팹도 2nm 시대

Austin Lyons · Vic Shaker ·

💡 핵심 통찰

IBM은 1980~90년대 트럭에 실을 수 있는 소형 싱크로트론 기반 X선 리소그래피 시제품을 만든 바 있다. Substrate는 "30년간 포토레지스트·광원·반도체 공정이 모두 발전했으니 이제 경제성이 달라졌다"는 전제로 X선 리소그래피를 재도전 중. 성공 시 장비 비용이 EUV의 수분의 1로 낮아져 GlobalFoundries·Texas Instruments 같은 레거시 팹도 선단 노드 제조가 가능해지는 게임체인저.

싱크로트론이란: 하전입자를 고리형 경로에서 가속하면, 방향이 바뀔 때마다 X선이 방출됨. 에너지가 높을수록 파장이 짧아져 1nm 이하까지 도달 가능. Vic 설명에 따르면 테이블탑 소형 싱크로트론 기술은 이미 20~30년 전부터 존재.

X선 광학의 근본 난제: X선은 물질을 투과하기 때문에 EUV처럼 거울로 반사·집속할 수 없음. 따라서 마스크를 "축소 투영"하는 것이 불가능하고, 마스크와 웨이퍼를 밀착시켜 패턴을 1:1로 전사하는 근접 노광(Proximity Printing)에 의존해야 함. 마스크 자체를 목표 선폭과 동일하게 제작해야 하므로 마스크 제조 난이도가 급상승.

지정학적 함의: 이 기술이 미국 내에 안착하면, 설비 비용이 낮아져 더 많은 팹이 미국 내 건설 가능. EUV처럼 기술을 해외에 넘기지 않는다면 제조 주권 확보 가능성. Austin은 "GlobalFoundries나 TI도 2nm급 칩을 만들 수 있게 된다"는 함의를 강조.

더 넓은 파급 효과 — 팹리스의 귀환: 웨이퍼당 비용이 지금의 $100,000에서 $10,000 수준으로 낮아진다면, 소량 수요의 팹리스 기업도 직접 첨단 칩을 생산하거나 IDM으로 복귀할 인센티브가 생김. Jerry Sanders의 말처럼 "진짜 남자는 팹을 가진다"는 시대가 다시 올 수도.

"이 기술이 이번에는 미국 내에 남는다면, 수십 년 전에 우리가 ASML에 열쇠를 넘겨준 실수를 반복하지 않아도 된다."

쉽게 풀어보기 — 근접 노광 vs. 축소 투영

축소 투영 (현행 EUV·DUV): 마스크를 5배 크게 만들어 렌즈/거울로 1/5 크기로 투영. 마스크 제작이 상대적으로 쉽고 공정 여유가 생김.
근접 노광 (X선 방식): 마스크를 웨이퍼에 거의 붙여서 1:1 전사. 마스크 자체를 목표 선폭으로 만들어야 해서 마스크 제조가 훨씬 어렵고 비쌈.