[공정으로 읽는 지속가능성] ② 저GWP 식각가스, 양산에 바로 적용할 수 있을까?

[공정으로 읽는 지속가능성] ② 저GWP 식각가스, 양산에 바로 적용할 수 있을까?

대학생신재생에너지기자단 27기 이희원

낮은 GWP 뒤에 남은 공정의 질문

반도체 식각공정의 온실가스 배출을 줄이는 가장 직관적인 방법은 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)가 높은 공정가스를 낮은 가스로 대체하는 것이다. GWP는 특정 기체가 일정 기간 대기 중에서 이산화탄소보다 얼마나 큰 온난화 영향을 미치는지를 나타내는 지표다. 반도체 건식 식각에는 CF₄와 같은 불소계 가스가 사용되는데, 이들은 대기 중에서 쉽게 분해되지 않고 온난화 영향도 커 주요한 직접배출원으로 지적된다. 이에 따라 배출가스 처리효율을 높이거나 가스 사용량을 줄이는 방법과 함께, 기존 가스를 저GWP 물질로 전환하려는 연구가 이어지고 있다.

그러나 식각가스는 단순히 공정에서 소비된 뒤 배출되는 물질이 아니다. 플라즈마 상태에서 생성된 이온과 라디칼이 웨이퍼 표면과 반응하며 원하는 물질을 제거하기 때문에, 가스의 종류가 달라지면 식각속도와 선택비, 표면 반응도 함께 달라질 수 있다. 따라서 GWP가 낮은 가스를 사용하더라도 식각속도가 감소해 공정시간이 길어지거나 원하는 층만 정밀하게 제거하지 못한다면, 실제 생산성과 공정품질에는 또 다른 부담으로 작용할 수 있다.

이러한 대체가스 중 하나가 C₆F₁₂O다. C₆F₁₂O는 기존 불소계 식각가스보다 환경영향이 작은 후보로 연구되고 있지만, 실제 공정에 적용하기 위해서는 기존 가스와 비교해 충분한 식각성능을 확보할 수 있는지 검토해야 한다. 선행연구에서도 C₆F₁₂O와 CF₄를 동일한 조건에서 비교했을 때 공정변수에 따른 변화 양상은 유사했지만, 절대적인 식각속도와 일부 선택비에서는 차이가 나타났다.

이에 본 기사에서는 먼저 플라즈마 식각에서 공정가스가 수행하는 역할을 살펴본다. 이후 공개된 실험 데이터를 바탕으로 CF₄와 C₆F₁₂O의 식각속도와 SiO₂/Si 선택비를 비교하고, 동일한 깊이를 식각할 때 필요한 시간의 차이를 분석하고자 한다. 이를 통해 저GWP 가스의 도입이 단순한 물질 교체가 아니라 환경성과 공정성능을 함께 고려한 조건 재설계의 과정임을 살펴본다.

[자료 1. 반도체 웨이퍼와 플라즈마 식각공정]

출처 : ⓒ 27기 이희원 ChatGPT 생성

가스가 바뀌면 식각의 결과도 달라진다

반도체 회로는 포토리소그래피를 통해 형성한 미세한 패턴을 실제 박막에 옮기는 과정을 거쳐 완성된다. 이때 감광막으로 보호되지 않은 부분을 선택적으로 제거하는 공정이 식각이다. 액체 화학물질을 사용하는 습식 식각과 달리, 건식 식각은 진공 챔버 안에서 가스를 플라즈마 상태로 만들어 물질을 제거한다. 미세한 회로를 수직 방향으로 정밀하게 가공해야 하는 반도체 제조에서는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE)이 널리 활용된다.

챔버에 주입된 식각가스에 RF 전력이 가해지면 가스 분자가 전자와 충돌해 이온과 라디칼 등 반응성 입자로 분해된다. 라디칼은 웨이퍼 표면의 물질과 화학적으로 반응해 기체 상태의 생성물을 만들고, 생성물은 진공 배기장치를 통해 챔버 밖으로 제거된다. 한편 전기장에 의해 웨이퍼 방향으로 가속된 이온은 표면에 충돌하면서 화학결합을 끊고 반응을 촉진한다. 화학반응과 방향성을 가진 이온 충돌이 함께 작용하기 때문에 미세 패턴의 옆면 손실을 줄이면서 아래 방향으로 식각할 수 있다.

따라서 식각가스는 단순한 소모품이 아니라 공정결과를 결정하는 주요 변수다. 가스의 분자구조와 조성에 따라 플라즈마에서 생성되는 불소 원자와 CFₓ 계열 라디칼의 양, 표면에 형성되는 불화탄소계 막의 특성이 달라지기 때문이다. 이는 단위시간 동안 제거되는 막의 두께인 ‘식각속도’뿐 아니라 서로 다른 물질이 제거되는 속도의 비율인 ‘선택비’에도 영향을 준다. 예를 들어 SiO₂/Si 선택비가 높다는 것은 같은 시간 동안 실리콘보다 실리콘산화막이 더 빠르게 제거된다는 의미다. 원하는 막은 충분히 제거하면서 하부층의 손상을 억제하려면 식각속도와 선택비를 함께 관리해야 한다.

기존 공정에 사용되는 CF₄와 같은 불소계 온실가스는 플라즈마에서 생성된 불소 성분을 이용해 웨이퍼 표면의 물질을 제거한다. 그러나 공정 중 완전히 분해되거나 소비되지 않은 가스와 일부 반응 부산물이 배출될 수 있어 온실가스 감축의 대상이 되어 왔다. 이에 반도체 산업에서는 가스 사용량을 줄이는 공정 최적화, 배출가스 처리장치의 효율 향상과 함께 기존 가스를 환경영향이 작은 물질로 대체하려는 접근이 이루어지고 있다.

C₆F₁₂O는 이러한 저GWP 대체가스 후보 중 하나다. 선행연구에서는 C₆F₁₂O와 CF₄를 각각 Ar과 혼합해 동일한 압력과 입력 RF 전력 조건에서 Si와 SiO₂의 식각특성을 비교했다. 두 가스는 공정조건 변화에 따라 유사한 식각 경향을 보였지만, C₆F₁₂O 플라즈마는 CF₄보다 불소 원자의 밀도와 플럭스가 낮아 절대적인 식각속도가 낮게 나타났다. 선택비 역시 모든 조건에서 동일하게 유지되지는 않았다.

이는 GWP가 낮은 가스를 선택하는 것과 실제 식각공정에 적합한 조건을 확보하는 것이 서로 다른 문제임을 보여준다. 대체가스가 기존 가스와 다른 반응종을 형성한다면 압력과 입력 RF 전력 등의 조건도 이에 맞게 다시 조정해야 한다. 이어지는 내용에서는 CF₄와 C₆F₁₂O의 공개 실험 데이터를 비교해 이러한 성능 차이가 실제 식각속도와 공정시간에 어떻게 나타나는지 확인하고자 한다.

같은 깊이를 식각하려면 얼마나 더 걸릴까? 

저GWP 대체가스의 공정 적용 가능성을 살펴보기 위해서는 먼저 기존 가스와 비교해 식각속도가 얼마나 달라지는지 확인해야 한다. Lim 연구팀은 C₆F₁₂O와 CF₄를 각각 Ar과 1:1로 혼합하고, 압력 4~12 mTorr와 입력 RF 전력 200~600 W 조건에서 Si와 SiO₂의 식각속도를 비교했다. 해당 연구는 결과를 표가 아닌 그래프로 제시하고 있어, 본 기사에서는 그래프에서 수치를 추출한 근삿값을 기준으로 분석했다. 이 연구는 일반적인 공정보다 플라즈마 밀도가 낮은 저전력 식각 조건에서 수행됐다는 점을 전제로 결과를 해석해야 한다.

[자료 2. 입력 RF 전력과 압력에 따른 CF₄ 및 C₆F₁₂O의 SiO₂ 식각속도 비교]

출처 : ⓒ 27기 이희원 Claude 생성

두 가스 모두 입력 RF 전력이 높아질수록 Si와 SiO₂의 식각속도가 증가했으며, 압력이 높을 때 더 빠른 식각속도를 보였다. 즉, 공정조건 변화에 따른 전반적인 경향은 유사했다. 그러나 동일한 조건에서 C₆F₁₂O의 절대 식각속도는 CF₄보다 낮았고, 두 가스의 차이는 4 mTorr보다 12 mTorr에서 더 크게 나타났다. 연구진은 이러한 차이가 C₆F₁₂O 플라즈마에서 형성되는 불소 원자의 밀도와 표면에 도달하는 플럭스가 상대적으로 낮기 때문이라고 설명했다.

식각속도의 감소는 동일한 깊이를 제거하는 데 필요한 시간의 증가로 이어진다. 목표 식각 깊이를 d, 식각속도를 R이라고 하면 식각시간 t는 t = d/R로 나타낼 수 있다. 따라서 식각시간은 식각속도에 반비례한다.

C₆F₁₂O의 식각시간 / CF₄의 식각시간 = CF₄의 식각속도 / C₆F₁₂O의 식각속도

논문 Figure 2의 그래프에서 읽어낸 식각속도에 이를 적용하면, C₆F₁₂O를 사용한 식각 단계에는 CF₄보다 4 mTorr에서 약 1.5~1.6배, 12 mTorr에서 약 1.8~2.0배의 시간이 필요할 수 있다. 예를 들어 동일 조건에서 CF₄로 1분이 걸리는 식각이라면 C₆F₁₂O는 4 mTorr에서 약 1분 30초~1분 36초, 12 mTorr에서는 약 1분 48초~2분이 걸리는 셈이다.

다만 이 값은 목표 깊이를 제거하는 ‘식각 단계’의 상대적인 시간만을 의미한다. 실제 장비의 전체 처리시간에는 웨이퍼 이송, 진공 형성, 공정 안정화 및 세정 등이 포함되므로 이를 전체 장비 처리량의 감소율로 그대로 해석해서는 안 된다. 한편 연구진은 C₆F₁₂O의 낮은 절대 식각속도가 보다 나은 공정 제어의 가능성을 제공할 수 있다고 설명했다. 즉, 느린 식각속도가 생산성에는 부담이 될 수 있지만, 공정 제어 측면에서는 다른 의미를 가질 수 있다.

결국 C₆F₁₂O의 시간 손실은 모든 조건에서 동일하지 않았으며, 12 mTorr보다 4 mTorr에서 상대적으로 작게 나타났다. 이는 대체가스 도입 시 가스 자체의 성능만 평가하는 것이 아니라 압력과 입력 RF 전력 등의 조건도 함께 재조정해야 함을 보여준다. 그러나 식각속도만으로 우선 평가 조건을 결정할 수는 없다. 원하는 SiO₂는 충분히 제거하면서 하부 Si의 손상을 억제할 수 있는지도 함께 확인해야 하기 때문이다. 다음에서는 식각시간 증가와 SiO₂/Si 선택비를 함께 비교해 우선 평가할 공정조건을 살펴본다.

속도와 선택비 사이, 어떤 조건을 먼저 검토할까?

식각가스의 대체 가능성을 평가할 때 식각속도와 함께 살펴봐야 하는 지표가 선택비다. SiO₂/Si 선택비는 Si에 비해 SiO₂가 얼마나 빠르게 제거되는지를 나타낸다. 식각속도가 빨라도 하부 Si까지 함께 손상된다면 실제 공정에 적용하기 어렵기 때문에, 대체가스의 후보 조건은 두 지표를 함께 고려해 선정해야 한다.

Lim 연구팀은 논문 본문에서 4 mTorr·500 W 조건의 SiO₂/Si 선택비를 CF₄ 약 1.16, C₆F₁₂O 약 1.21로 직접 제시했다. 즉 실험 범위의 최대 전력을 사용하지 않고도 C₆F₁₂O가 CF₄보다 높은 선택비를 확보한 셈이다. Figure 7에서 추출한 근삿값에 따르면 이러한 선택비 우위는 600 W에서도 유지되어, 4 mTorr·600 W에서는 CF₄ 약 1.16, C₆F₁₂O 약 1.20으로 나타났다. 반면 12 mTorr·600 W에서는 CF₄의 선택비가 약 1.30까지 증가했지만 C₆F₁₂O는 약 1.20에 머물렀다. 즉 C₆F₁₂O는 저압에서는 CF₄보다 높은 선택비를 확보할 수 있지만, 고압·고전력 조건에서는 CF₄와의 격차가 커졌다.

이를 앞서 분석한 식각시간과 함께 정리하면, 서로 다른 목적을 가진 세 가지 후보 조건을 제안할 수 있다. 4 mTorr·500 W는 실험 범위의 최대 전력을 피하면서도 CF₄보다 높은 선택비를 확보한 선택비 우선의 보수적 파일럿 시작점이다. 4 mTorr·600 W는 500 W보다 C₆F₁₂O의 절대 식각시간을 줄이면서도 선택비 우위를 유지한 저압 균형 후보다. 12 mTorr·600 W는 C₆F₁₂O 조건 가운데 100 nm 식각 예상시간이 가장 짧은 절대 속도 우선 후보다. 다만 동일 조건의 CF₄와 비교하면 상대적인 식각시간 증가와 선택비 격차가 가장 크다는 한계가 있다.

[자료 3. CF₄와 C₆F₁₂O의 SiO₂ 식각시간–선택비 트레이드오프]

출처 : ⓒ 27기 이희원 Claude 생성

세 후보 중 어느 것이 우선인지는 기존 공정에 최소한의 변경만 가할지, C₆F₁₂O에 맞는 새로운 공정조건을 찾을지에 따라 달라질 수 있다.

이러한 후보 선정은 공개된 식각속도와 선택비만을 활용한 1차 제안이다. 실제 파일럿 평가에서는 식각 프로파일과 균일도, 표면 거칠기, 잔류물, 임계치수(CD), 하부층 손상, 반복성 등을 추가로 확인해야 한다. 장비의 전체 처리시간과 실제 가스 사용량, 웨이퍼당 에너지 소비량, 결함 및 수율까지 검토해야 비로소 양산 적용 가능성을 판단할 수 있다.

한 가지 환경지표만 개선했을 때 다른 공정부담이 커질 수 있다는 점은 imec의 사례에서도 확인된다. imec은 식각가스를 짧고 정밀하게 주입하는 TAP(Transient Assisted Processing) 기술을 하드마스크 식각에 적용해 기존에 사용하던 고GWP 가스 3종 중 2종을 제거하고, CF₄ 사용량을 98% 줄였다. 그러나 초기 TAP 공정은 공정시간이 길어지면서 전력과 재료 사용량이 증가했고, 결과적으로 전체 환경영향은 오히려 커지는 문제가 나타났다. 이에 가장 두꺼운 층에는 기존 RIE를 사용하고 나머지 단계에 TAP을 적용하는 하이브리드 공정을 구성해, 처리량을 회복하면서도 고GWP 가스 사용량을 줄였다.

이 사례는 C₆F₁₂O의 직접 적용 사례는 아니지만, 친환경 식각공정의 핵심이 단순한 가스 사용량 또는 GWP의 감소에만 있지 않다는 점을 보여준다. C₆F₁₂O 역시 낮은 GWP만으로 평가하기보다 가스 조성, 압력, 입력전력, 식각시간과 선택비를 함께 조정해야 한다. 결국 저GWP 가스의 도입은 기존 가스를 그대로 바꾸는 작업이 아니라, 환경성과 공정성능을 동시에 만족시키는 새로운 공정조건을 설계하는 과정에 가깝다.

가스를 바꾸는 순간, 공정 재설계가 시작된다

저GWP 가스로의 전환은 반도체 식각공정의 온실가스 배출을 줄이기 위한 중요한 출발점이다. 그러나 C₆F₁₂O와 CF₄의 데이터를 비교한 결과, GWP가 낮은 가스라고 해서 기존 공정성능이 그대로 유지되는 것은 아니었다. C₆F₁₂O는 상대적으로 낮은 식각속도를 보였고, 압력과 입력전력에 따라 식각시간과 선택비의 차이도 달라졌다. 이를 종합하면 하나의 ‘최적 조건’보다는 서로 다른 우선순위를 가진 복수의 파일럿 평가 후보가 도출됐다.

이는 대체가스의 환경성만으로 실제 공정의 지속가능성을 판단할 수 없음을 보여준다. 고GWP 가스의 사용량과 직접배출이 감소하더라도 공정시간과 에너지 소비가 늘거나 공정품질과 수율이 낮아진다면, 환경부담이 다른 영역으로 옮겨갈 수 있기 때문이다. 따라서 가스의 GWP뿐 아니라 식각속도와 선택비, 에너지 소비, 처리량과 수율을 함께 고려해 공정조건을 다시 설계해야 한다.

그렇다면 가스 교체는 곧 친환경화인가? 그 자체만으로는 아니다. 그러나 대체가스의 특성에 맞게 공정조건을 재최적화하고 실제 양산 환경에서 성능을 검증한다면, 저GWP 가스는 기존 공정의 환경부담을 줄이는 실질적인 대안이 될 수 있다. 결국 친환경 식각공정으로의 전환은 가스를 바꾸는 순간 완성되는 것이 아니라, 그 순간부터 시작되는 공정 재설계의 과정이다.

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1. "[공정으로 읽는 지속가능성] ① 바이오의약품은 어떻게 만들어질까? - 지속 가능한 제조공정의 시작", 27기 이희원, https://renewableenergyfollowers.org/etc/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=172334268&t=board

2. "[그린디톡스] 반도체편③: 도핑으로 반도체 성능 향상! 환경 부담도 향상?", 28기 정예빈, https://renewableenergyfollowers.org/etc/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=171206596&t=board

참고문헌 

[낮은 GWP 뒤에 남은 공정의 질문] 

1) Gallagher, Emily, imec, “How can we reduce environmental impact in chip manufacturing?”, 2025.8.19, https://www.imec-int.com/en/articles/how-can-we-reduce-environmental-impact-chip-manufacturing

2) Lim, Nomin, Yeon Sik Choi, Alexander Efremov, Kwang-Ho Kwon, “Dry Etching Performance and Gas-Phase Parameters of C₆F₁₂O + Ar Plasma in Comparison with CF₄ + Ar”, Materials, Article 1595, 2021.3.

[가스가 바뀌면 식각의 결과도 달라진다] 

1) Lim, Nomin, Yeon Sik Choi, Alexander Efremov, Kwang-Ho Kwon, “Dry Etching Performance and Gas-Phase Parameters of C₆F₁₂O + Ar Plasma in Comparison with CF₄ + Ar”, Materials, Article 1595, 2021.3.

2) Sirard, Steve, “Introduction to Plasma Etching”, Lam Research Corporation, University of Texas at Austin, 2017.10.19 https://willson.cm.utexas.edu/Teaching/LithoClass2017/Files/Introduction%20to%20Plasma%20Etching_Lecture_101917_Day1_Sntzd.pdf

3) U.S. Environmental Protection Agency, U.S. EPA, “Semiconductor Industry”, 2026.02.26, https://www.epa.gov/eps-partnership/semiconductor-industry

[같은 깊이를 식각하려면 얼마나 더 걸릴까?] 

1) Lim, Nomin, Yeon Sik Choi, Alexander Efremov, Kwang-Ho Kwon, “Dry Etching Performance and Gas-Phase Parameters of C₆F₁₂O + Ar Plasma in Comparison with CF₄ + Ar”, Materials, Article 1595, 2021.3.

[속도와 선택비 사이, 어떤 조건을 먼저 검토할까?]

1) Gallagher, Emily, imec, “How can we reduce environmental impact in chip manufacturing?”, 2025.8.19, https://www.imec-int.com/en/articles/how-can-we-reduce-environmental-impact-chip-manufacturing

2) Lim, Nomin, Yeon Sik Choi, Alexander Efremov, Kwang-Ho Kwon, “Dry Etching Performance and Gas-Phase Parameters of C₆F₁₂O + Ar Plasma in Comparison with CF₄ + Ar”, Materials, Article 1595, 2021.3.