화학 공정이 반도체 제조를 더 지속 가능하게 만들 수 있습니다

현대 생활에 필수적이지만, 반도체 제조는 에너지와 자원을 많이 소모하는 과정으로, 전기, 물, 화학물질, 공정 가스의 소비를 높이며, 이 모든 것이 에너지 사용과 환경 영향을 증가시키는 불행한 현실을 더욱 악화시키고 있습니다. 이는 고급 칩 제조의 복잡성 증가와 수요 증가에 의해 더욱 심화됩니다. 

"현재 성장 경로가 제어되지 않고 계속된다면, 향후 몇 년간 반도체 생산으로 인한 탄소 배출량이 연간 약 8% 증가할 것이며 2045년까지 정점에 이르지 않을 것입니다."라고 보스턴 컨설팅 그룹이 말합니다.

이러한 도전에 대응하여—전 세계 정부들이 보다 엄격한 환경 규제를 시행하기 시작함에 따라 증가하는 압박감 속에서—반도체 산업은 더 환경 친화적인 공정을 향한 혁신 이니셔티브와 연구 개발 노력을 목표로 하고 있습니다. 대안적 해결책이 주목받기 시작했습니다.

여기서 우리는 회사들이 직면한 주요 도전 과제, 화학 공정이 반도체 생산을 더 지속 가능하게 만들기 위해 어떻게 진화하고 있는지, 그리고 이 전환을 주도하는 업계 리더들에 대해 자세히 살펴봅니다.

지속 가능성 달성을 위한 핵심 도전 과제

반도체 제조를 더 지속 가능하게 만드는 가장 큰 장애물 중 하나는 생산에 사용되는 많은 화학물질이 공정에 필수적이면서도 환경에 해로운 사실입니다. 필요하긴 하지만 제대로 관리되지 않으면 이러한 물질들은 종종 독성이 있고 인간의 건강과 환경에 위험을 초래합니다. 이러한 화학물질에서 발생하는 폐기물은 처리하기 어려워 환경 문제를 더욱 악화시킵니다. 

반도체 산업은 고 GWP 가스의 방출과 상당한 수량의 물과 에너지 소비로 인해 중대한 환경 영향을 미친다는 비판을 받아왔습니다. 이러한 화학물질은 반도체의 기능성과 성능에 필수적이지만, 그 환경적 결과를 완전히 이해하기 위해서는 그리 멀지 않은 과거로 돌아볼 필요가 있습니다.

1970년대부터 1990년대까지, 미국이 반도체 생산에서 지배적인 힘을 발휘했을 때, 제조 공장과 관련된 환경 위험은 널리 인식되지 않았습니다. 이 기간 동안, 수많은 팹(fab)이 위치한 실리콘 밸리는 연방 정화 작업 목록인 국가 우선 순위 목록에 올라간, 오염이 심각한 여러 슈퍼펀드(Superfund) 지역이 되었습니다. 예를 들어, 1968년부터 1981년까지 활동한 인텔 사이트에서는 EPA가 지하수에서 비소, 클로로포름, 납을 포함한 12가지 이상의 오염물질을 확인했습니다. 

산업이 현재 지속 가능성에 대해 적극적이고 선제적인 입장을 취하고 있음에도 불구하고, 이러한 사건들은 기술 발전과 환경 관리의 균형을 맞추는 것이 얼마나 중요한지를 강조합니다.

반도체 제조에서 화학물질의 역할

반도체 제조는 식각, 세척, 도핑, 패터닝 재료에 필수적인 다양한 화학 공정을 포함합니다. 이러한 화학물질은 고성능 칩을 생산하는 데 필요하지만, 종종 위험한 폐기물과 온실가스 배출과 같은 상당한 환경적 단점을 동반합니다. 예를 들어:

에칭: 웨이퍼 표면에서 재료의 층을 제거하여 칩의 기능을 정의하는 복잡한 패턴을 만듭니다. 에칭 공정에 사용되는 퍼플루오로카본(PFCs)은 고급 마이크로칩에 필요한 세부 구조를 만드는 데 있어 그 효과로 인해 거의 대체할 수 없습니다. 불행히도, 이러한 가스는 이산화탄소보다 수천 배 높은 GWP(지구 온난화 잠재력)를 가지고 있어, 기후 변화에 대한 그들의 영향이 지나치게 큽니다.

세정: 웨이퍼는 불순물을 제거하기 위해 여러 단계에서 세심하게 세척되어야 합니다. 용매, 산, 염기의 사용은 반도체 장치에 필요한 극도의 순도를 달성하기 위해 필수적입니다. 불행히도, 이러한 화학물질은 종종 위험하며 상당한 폐기물 흐름을 생성합니다.

도핑: 반도체 재료에 불순물을 추가하여 그 전기적 특성을 변경하는 과정입니다. 아르신과 포스핀과 같이 매우 독성이 있는 화학물질이 도핑에 흔히 사용됩니다.

지속 가능성을 위한 화학 공정의 혁신

이러한 화학 공정의 환경적 영향을 인식하며, 반도체 산업은 생산을 더 지속 가능하게 만들기 위해 대안과 혁신을 점점 더 탐색하고 있습니다. 다음은 가장 유망한 개발 중 일부입니다:

1. 더 친환경적인 용매와 세정제

혁신의 주요 분야 중 하나는 환경에 미치는 영향이 적은 더 친환경적인 용매와 세정제의 개발이었습니다. 이소프로필 알코올과 같은 전통적인 용매는 효과적이지만, 대량으로 사용할 경우 위험할 수 있습니다. 제조업체들은 생분해성이 있고 독성이 덜한 대체 용매를 연구하고 있으며, 이는 환경에 대한 세정 과정의 유해한 영향을 줄이는 데 도움이 됩니다.

예를 들어, 회사들은 수성 기반 세정 솔루션의 사용을 탐구하고 있으며, 이는 물을 주요 용매로 사용합니다. 이러한 솔루션은 유해 화학물질의 필요성을 크게 줄이면서 웨이퍼를 효과적으로 세정할 수 있습니다. 또한, 재활용하고 재사용할 수 있는 새로운 세정제가 개발되고 있어, 화학 폐기물을 상당히 줄일 수 있습니다.

반도체 세정에서 주요 관심사인 화학물질은 N-메틸 피롤리돈(NMP)과 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH), 그리고 일반적으로 사용되는 용매인 디메틸설폭사이드(DMSO)입니다. 따라서, Merck KGaA와 같은 회사들은 NMP, TMAH, DMSO를 사용하지 않으면서도 덜 독성이 있고 더 안전한 화학물질을 사용하는 새로운 제품을 개발하고 소개하고 있습니다.

2. 고온 온실가스 감소

연구자들은 에칭 공정에서 필요한 정밀도를 유지하면서도 온실가스 포텐셜(GWP)이 낮은 대체 가스를 개발하는 작업을 진행하고 있습니다. 예를 들어, 질소 트리플루오라이드(NF3)는 전통적인 PFCs보다 GWP가 낮기 때문에 일부 응용 분야에서 대체재로 도입되었습니다.

또한, 공정 장비의 개선을 통해 에칭 중에 사용되는 가스의 양을 줄여 배출량을 낮출 수 있습니다. 플라즈마 기반 공정을 사용하는 고급 에칭 기술도 탐색되고 있습니다. 이러한 방법은 필요한 유해 화학물질의 양을 크게 줄일 수 있어, 보다 지속 가능한 생산 과정에 기여할 수 있습니다.

PFCs에서 NF로의 전환에 대한 자세한 내용은 반도체 PFAS 컨소시엄에서 확인할 수 있습니다.

3. 폐쇄 회로 화학 재활용 시스템

또 다른 유망한 혁신은 폐쇄 회로 화학 재활용 시스템의 도입입니다. 이 시스템을 통해 제조업체는 화학물질을 단 한 번 사용한 후 폐기하는 대신 재사용할 수 있습니다. 이는 특히 세정 및 에칭 공정에 사용되는 화학물질이 반도체 제조에서 발생하는 폐기물의 큰 부분을 차지하기 때문에 중요합니다.

고급 여과 및 정화 기술을 사용함으로써 제조업체는 화학물질을 회수하여 재사용할 수 있으며, 이는 폐기물과 원자재 필요성을 줄이는 동시에 환경 영향을 줄이고 운영 비용을 낮추는 이점을 제공합니다. 이는 제조업체에게 이익이 되는 상황을 만듭니다.

제조 공정이 발전함에 따라 원자재에 대한 수요가 증가함에 따라, TSMC는 공급업체와 협력하여 "전자 등급 화학 물질 재활용 프로젝트"를 시작했습니다. 이 계획은 공정 폐기물을 재활용하여 전자 등급 제품으로 전환하는 기술을 개발하는 데 중점을 두고 있으며, 이를 통해 TSMC에서 재사용함으로써 TSMC의 폐쇄 루프 재활용 모델의 가치를 향상시킵니다. 2023년에는 사이클로펜타논 폐기물이 TSMC의 엄격한 품질 기준을 충족하는 전자 등급 사이클로펜타논으로 성공적으로 정제되었습니다. 이 재처리된 화학 물질은 11월에 TSMC의 AP3 고급 패키징 및 테스트 시설에서 공식적으로 도입되었으며, 연간 액체 구매를 750톤 줄이고 탄소 배출을 380톤 감소시킬 것으로 예상되며, 이는 녹색 제조를 실현하고 환경 지속 가능성을 발전시키는 예입니다.

4. 건식 처리 기술

건식 처리 기술은 물 사용량과 폐기물 발생을 줄이기 위해 개발되었습니다. 이 기술들, 예를 들어 건식 식각은 액체 화학 물질의 필요성을 없애고 대신 가스나 플라즈마를 사용합니다.

특히 건식 식각은 더 지속 가능한 옵션으로의 전환에서 중요한 역할을 하며, 유독 화학 물질의 필요성을 없애고 물 소비를 줄입니다. 플라즈마 기반 청소 방법도 주목을 받고 있으며, 전통적인 습식 청소 방법에 비해 더 적은 물과 에너지를 사용함으로써 비슷한 이점을 제공합니다​.

산업 노력과 글로벌 영향

환경 문제에 대한 우려가 커짐에 따라, 반도체 회사들은 제조 운영의 환경적 영향을 줄이기 위한 전략에 점점 더 투자하고 있습니다. Deloitte에 따르면, 이러한 회사들은 GWP(지구 온난화 잠재력)가 낮은 재료를 사용하는 제조 공정을 채택하는 데 중점을 두고 있습니다. 이는 기존 공장을 개조하고, 배출량이 낮은 화학물질과 가스에 의존하는 공정을 포함하도록 새로운 시설을 건설하는 것을 포함합니다.

전통적인 반도체 제조는 PFCs, 하이드로플루오로카본, 질소 트리플루오라이드(NF3), 육불화황과 같이 GWP가 높은 가스를 대량으로 사용합니다. 불행히도, 이러한 불소화 가스의 최대 80%가 처리 후 대기 중으로 방출되곤 합니다. PFCs는 대체하기 어렵지만, 진전이 이루어지고 있습니다. 예를 들어, 삼성 반도체는 에칭과 화학 기상 증착과 같은 핵심 제조 단계에서 PFCs를 대체할 GWP가 낮은 공정 가스를 개발하고 있으며, 2018년부터 이미 여러 제품에 이를 적용했습니다. 마찬가지로, 도쿄 일렉트론 리미티드(TEL)는 저온에서 작동하는 고비율 식각 공정을 도입하여 대체 화학물질을 사용하고 에너지 소비 및 온실가스 배출을 크게 줄였습니다.

이러한 노력은 유망하지만, Deloitte는 대체 가스로의 전환은 종종 점진적인 개선을 가져오는 느린 과정이라고 지적합니다. 

앞으로의 길

가능한 곳에서 더 친환경적인 대안으로 전환하고 사용을 최적화함으로써 제조업체들은 자신들의 탄소 발자국을 줄이고, 운영의 생태학적 영향을 완화하며, 자신들의 탄소 약속을 향한 진전을 이룰 수 있습니다. 앞서 언급된 친환경 화학물질, 건식 처리 기술, 폐쇄 회로 재활용 시스템의 혁신은 산업의 더 지속 가능한 미래를 향한 중요한 단계를 나타냅니다.

도전은 남아 있지만, 업계 리더들의 증가하는 약속과 새로운 기술의 점점 더 많은 이용 가능성은 반도체 제조 공정이 더 지구 친화적이 될 수 있다는 희망을 제공합니다. 회사들이 지속 가능한 솔루션에 계속 투자함에 따라, 이 산업은 환경적 영향을 줄이는 데 있어 중요한 진전을 이룰 준비가 되어 있으며, 현대 세계를 구동하는 칩들이 지구와 더 조화롭게 생산되도록 보장합니다.