[그린 디톡스] 반도체 편②: 웨이퍼만 좀 깎았을 뿐인데…공정 기체의 역설

[그린 디톡스] 반도체 편②: 웨이퍼만 좀 깎았을 뿐인데…공정 기체의 역설

대학생신재생에너지기자단 28기 정예빈

포토 공정 후  식각 공정

[자료 1. 식각 공정의 이해]

출처: 삼성디스플레이

그린 디톡스 시리즈의 반도체 편①에서 다루었던 포토 공정 후에는 식각공정(Etching)이 이어진다. 반도체의 식각 공정은 포토 공정에서 형성된 패턴을 기준으로 웨이퍼의 불필요한 부분을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 만드는 핵심 공정이다. 쉽게 말해, 밑그림을 그리고(포토공정) 지워야 할 부분을 지우는 과정(식각공정)이라고 보면 된다. 식각 공정에서는 보호막이 되는 감광액을 이용하여 특정 영역을 보호하고 나머지 영역을 제거해 원하는 패턴을 형성한다. 식각이 끝나면 감광액(Photoresist)도 제거한다. 이때, 불필요한 부분을 제거하기 위해 부식액을 사용하는데 식각은 크게 식각 반응을 일으키는 물질의 상태에 따라 습식 식각과 건식 식각으로 구분된다. 건식 식각은 반응성 기체, 이온 등을 이용하고, 습식 식각은 용액을 이용한 화학 반응을 통해 식각하는 방법이다.

건식 식각은 습식 식각에 비해 기체를 이용한다는 점에서 다루기 까다롭고 비싸다는 한계가 있었으나, 반도체의 고집적화에 따른 회로선폭의 초미세화에 대한 요구가 증가함에 따라 수율을 높이기 위해 등방성인 습식 식각보다 비등방성으로 패턴 정확도가 높은 건식 식각이 확대되고 있다. 또한 원자 및 분자 수준에서 이루어지기 때문에 반도체는 아주 미세한 불량에도 수억 원의 손익이 좌우되기 때문에 정밀하고 정확한 공정이 중요하다는 측면에서도 선호된다.

[자료 2. 반도체 식각 공정 비교]

출처 : 한국진공학회

식각 공정과 유해물질

플라즈마 식각이라고도 하는 건식 식각은 일반 대기압보다 낮은 압력인 진공 챔버에 가스를 주입한 후 전기 에너지를 공급하여 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마는 자기장에 의해 높은 에너지를 가진 자유전자가 원자나 분자와 충돌하여 이온화되고, 이것이 연쇄적으로 일어나 이온의 수가 늘어나는 상태를 말한다. 플라즈마 상태에서 반응성 원자(Radical Atom)가 웨이퍼 위의 감광액으로 보호되어 있지 않은 막의 원자와 반응하여 휘발되며 제거되는 것이다.

이때 건식 식각 과정에는 균일도와 식각 속도에 유의해야 한다. 반도체는 회로의 미세화도 중요하지만, 완전히 잘 작동하기 위해서는 불순물과 흠집이 없는 일정하고 완벽한 웨이퍼를 생산하는 것이 중요하다. 식각 속도가 웨이퍼의 여러 지점에서 동일하게 일어나게 해 불량이 발생하지 않도록 해야 한다.

건식 식각에는 반응성 기체를 사용하는데 대표적인 기체는 CF₄, SF₆, NF₃ 등으로 온실 기체로 잘 알려져 있다. CF₄는 C-F의 결합은 유기화학에서 가장 강력한 결합 중 하나로 CF₄분자는 매우 안정해 산/염기/산화제와 거의 반응하지 않는다. 대부분의 금속이나 비금속과도 반응하지 않으며 고온에서는 CO나 COF₂ 등의 독성 가스를 생성하며 분해된다. CF₄는 안정하기 때문에 CO₂보다 약 6,500~7,400배 높은 지구 온난화 지수를 가지며, 대기 수명이 약 5만 년에 이르는 지속성 온실가스다.

SF₆도 S-F의 강한 결합을 가지며, 구조적으로 안정하기 때문에 상온에서는 물, 산, 염기 등과 반응하지 않는다. 따라서 수천 년 이상 분해되지 않고 남으며 CO₂의 약 23,900배의 지구온난화지수를 가진 온실기체이다.

NF₃ 또한 N-F의 강한 결합으로 매우 안정하고 반감기가 약 500년 이상이다. CO₂ 대비 지구온난화지수가 약 17,000배인 강력한 온실기체로 대기에 축적된다.

플라즈마 공정에서는 공정에 방해되는 화학 반응을 방지하고, 플라즈마를 쉽게 형성하기 위해 불활성 기체를 사용한다. 특히 불소계 플라즈마 가스(PFCs)를 이용하는데 이 기체들은 매우 안정해서 분해가 되지 않아 환경에 치명적인 영향을 가져온다. F의 높은 전기음성도로 인해 평소에는 매우 안정하지만, 플라즈마에서 전자 충돌로 분해되어 반응성이 큰 F 라디칼을 만들기 때문에 플라즈마 식각 공정에서 사용된다. 강한 결합으로 인해 안정하기 때문에 플라즈마 제어가 쉽다는 공정 관점에서의 장점이 있지만, 환경적 관점에서는 적외선을 흡수하는 온실 기체이며, 대기 중에서 잘 분해가 되지 않는다는 것이 문제가 된다. 공정의 안정성이 환경에서도 과도하게 안정하여 온실기체가 되기 때문에 문제가 된다는 역설적인 상황이 발생한다.

습식 식각에서는 부식액으로 산 용액을 사용하는데, 대표적인 물질로는 HF, HNO₃, HNO₃ 등이 있다. 이 산들은 물에서 대부분이 이온화가 되어 수질 산성화를 일으키고 수생 생물의 효소 활성을 저해하며, 단백질 변성 등의 환경에 유해한 영향을 끼친다. 특히, HF는 약산이지만 반응성이 강해 일반 산에 비해 매우 위험한 물질인데 생체의 금속 이온과 결합하여 세포 기능을 방해하고, 생태계에 독성이 되는 물질이다.

PFCs 및 유해물질 대책 방안

식각 공정의 환경 유해 물질에 대한 대책 방안으로는 저온실가스 식각 가스 사용, 플라즈마 분해 및 배출 처리, 스크러버(scrubber) 시스템, 습식 식각 폐수 재활용, 원자층 식각(ALE) 등이 있다.

가스 자체를 지구온난화지수가 낮은 불소계 가스로 사용하는 방법이 있다. NF₃, F₂ 등의 가스들은 플라즈마에서 더 쉽게 분해되어 F 라디칼을 생성한다. 반응성이 높기 때문에 적은 양을 사용하여 잔류 가스를 감소시켜 온실가스 배출을 낮출 수 있다.

식각 공정에서 배출되는 PFC 가스를 플라즈마로 분해하는 기술도 있다. 플라즈마로 분해해 F 라디칼을 생성한 뒤 HF 또는 SiF₄ 등의 더 반응성이 높은 물질을 만들어 스크러버에서 제거한다. 스크러버는 공정에서 배출된 가스를 화학적으로 중화 또는 흡수하는 장치이다. HF + NaOH → NaF + H₂O와 같은 반응으로 HF를 제거해 산성 가스를 중화하고 대기로 배출되는 양을 감소시킬 수 있다.

차세대 반도체 공정을 위한 친환경 공정 중 하나로 원자층 식각(ALE)이 있다. 원자층 단위로 식각해 반응성 가스를 매우 소량만 사용할 수 있고, 부산물이 감소하여 환경 영향을 줄일 수 있다. 기존의 건식 식각 방식에서는 반응성 이온 식각방식(RIE)을 사용해 왔는데, 차세대 원자층 식각 방식은 화학적 메커니즘은 표면에 흡착해 저에너지 반응으로 한 층만 제거하는 방식으로 이루어진다. 이로써 소량의 가스를 사용한다는 장점뿐만 아니라 정밀도도 높일 수 있다. 더 자세한 메커니즘은 표면에 물질을 흡착해 변형된 층을 형성하는 개질화 단계와 열 또는 플라즈마로 변형된 층을 제거하는 제거 단계로 이루어지며 이 두 단계를 주기적으로 반복 원하는 두께로 식각할 수 있다.

습식 식각에서는 산의 폐수에서 금속 이온을 제거해 산의 농도를 조절하고 재사용하는 기술이 개발되고 있다.

PFCs감축을 위한 반도체 기업의 사례

반도체 제조 온실가스의 약 80%가 공정 가스에서 발생하고 있다. 그만큼 불소계 가스가 반도체 산업의 큰 환경적 이슈로 대두되고 있으며, 반도체 실제 삼성, TSMC, Inel 같은 반도체 기업들이 PFC 배출을 줄이기 위해 공정 가스 대체, 배출가스 분해, 공정 효율 개선 등 친환경적인 방향으로 나아가고 있다.

PFC 가스는 대기에서 거의 분해되지 않는 안정성이 환경적으로 문제가 되기 때문에, 대부분의 팹에서는 배출 전에 분해하는 장치를 사용한다. 플라즈마로 분해하거나 열로 산화시키기 또는 촉매로 분해할 수도 있다. 분해 후 스크러버에서 중화하며 이 기술로 90% 이상의 PFC를 제거할 수 있다.  

삼성 전자에서는 RCS(Regenerative Catalytic System)라는 대형 배출가스 처리 시스템을 개발했다. 공정 가스를 촉매 반응으로 분해하고 여러 장비의 배출가스를 중앙에서 처리한다. PFC 제거 효율이 약 97%에 달하여 2024년 기준 52개의 장비가 실제 팹에 설치돼 있다. 새로운 생산 라인뿐만 아니라 기존 라인에도 RCS 설치를 확대해 나갈 것이라고 밝혔다.

가장 근본적인 해결책은 처음부터 지구온난화지수가 낮은 가스를 사용하는 것이다. 그래서 기업들은 환경영향이 낮은 대체 가스 연구를 진행하고 있다. 일례로, TSMC는 NF₃ 대체 가스와 fluoronitrile 계열 가스 연구를 진행하고 있고, 삼성전자 또한 C₄F₈ 및 CF₄ 대체 가스 개발 같은 공정 가스 교체에 대해 연구하고 있다.

반도체 산업의 환경적 노력 

AI의 고도화와 보편화로 반도체 수요가 급격히 증가하면서, 반도체 공정이 환경에 미치는 영향 역시 더 이상 간과할 수 없는 문제로 떠오르고 있다. 특히 공정에 필요한 물질의 화학적 안정성과 반응성이 기술적으로는 장점으로 작용하지만, 동시에 환경 문제를 야기한다는 점은 오늘날 우리가 직면한 환경 문제의 역설을 보여준다.

그럼에도 불구하고 반도체 산업은 중요한 가치인 지속가능성을 향한 방향성을 분명히 해야 한다. 산업 규모가 확대되고 기술 경쟁이 치열해질수록, 공정 과정에서 사용되는 유해 물질을 줄이고 대체하려는 노력이 더욱 중요해진다. 집접도를 높이기 위한 성능 중심의 기술 개발뿐만 아니라 유해 물질의 정화, 처리 기술과 친환경 대체 물질에 대한 연구 역시 필수적이다. 이러한 변화는 반도체 기업의 기술적 노력만으로는 이루어질 수 없다. 유망 산업의 경제적 가치나 기술 경쟁력에만 주목하기보다, 그 이면에 존재하는 환경적 영향에 대한 사회적 관심과 비판적 시선이 함께 필요하다. 반도체 산업이 미래 핵심 산업으로 자리 잡기 위해서는 기술 발전과 환경적 책임이 함께 고려돼야 할 것이다.

환경 유해물질에 대한대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[그린 디톡스] 반도체 편①: 찰칵! 패턴을 새기고, 유해물질을 남기다", 28기 정예빈, https://renewableenergyfollowers.org/etc/?idx=169445914&bmode=view

2. "이산화탄소를 빨아들이는 금속 스펀지 MOF, 노벨상에서 주목하다", 26기 김대건, https://renewableenergyfollowers.org/etc/?q=YToyOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjtzOjQ6InBhZ2UiO2k6Mjt9&bmode=view&idx=169028690&t=board

참고문헌 

[포토 공정 후  식각 공정] 

1) 삼성디스플레이, "디스플레이 용어 알기", p.153, 2023.01.19, https://news.samsungdisplay.com/terms/res/pages/SDC_DISPLAY%20TERMINOLOGY%20GUIDE.pdf?utm_source=chatgpt.com

2) 삼성반도체, "[반도체 8대 공정]5탄, 반도체 회로패턴의 완성 '식각 공정'", 2018.01.04, https://semiconductor.samsung.com/kr/support/tools-resources/fabrication-process/eight-essential-semiconductor-fabrication-processes-part-5-etching-a-circuit-pattern/

[PFCs 및 유해물질 대책 방안] 

1) 전민성, 진공이야기 Vacuum Magazine, "차세대 원자층 공정 제어기술 개발: 원자층 식각(ALE)", 2023.03.03, https://www.kvs.or.kr/file/story/1001/2.pdf

[PFCs감축을 위한 반도체 기업의 사례]

1) 삼성반도체, "Reducing Greenhouse Emissions through Sustainability Efforts", https://semiconductor.samsung.com/sustainability/environment/climate-action/we-are-minimizing-greenhouse-gases-until-we-hit-zero/?utm_source=chatgpt.com

2) Fraunhofer EMFT, "PFAS Reduction in Semiconductor Manufacturing", https://www.emft.fraunhofer.de/en/projects-fraunhofer-emft/pfas-semiconductor-manufacturing.html?utm_source=chatgpt.com