반도체는 수십에서 수백 개의 정밀 공정을 거쳐 제작되며, 이 과정에서 다양한 화학물질이 사용됩니다. 이러한 화학물질은 웨이퍼 세정, 도포, 식각, 증착, 이온 주입, 금속 배선 등의 공정에 필수적으로 사용되며, 각각의 용도에 따라 반응성, 휘발성, 독성 등의 특성이 다릅니다. 반도체 공정은 극도의 정밀성과 청정도가 요구되기 때문에, 화학물질의 순도와 취급 방식은 반도체 품질에 직결되며 동시에 작업자의 안전과 환경 보호 측면에서도 철저한 관리가 필요합니다. 특히 나노미터 단위의 패터닝이 보편화된 최근에는, 공정에 사용되는 화학물질의 반응성이 더욱 정밀하게 제어되어야 하며, 그로 인해 새로운 고기능성 화학물질이 지속적으로 개발되고 있습니다. 이 글에서는 반도체 제조에서 어떤 화학물질이 어떤 공정에 사용되는지, 각각의 기능과 특성은 무엇인지, 그리고 이에 따른 안전 관리와 환경 이슈까지 포괄적으로 설명합니다.
웨이퍼 세정과 식각 공정에서의 화학물질
반도체 공정 초기에 수행되는 웨이퍼 세정은 공정 중 불순물, 미세 입자, 유기물 등을 제거하기 위한 중요한 단계이며, 이 과정에서 강한 산과 알칼리성 화학물질이 사용됩니다. 대표적으로 황산(H₂SO₄), 과산화수소(H₂O₂), 불산(HF), 염산(HCl), 암모니아(NH₃) 등이 포함된 혼합 세정액이 활용됩니다. 특히 RCA 세정이라 불리는 표준 공정에서는 SC-1(SC = Standard Clean)과 SC-2 용액이 각각 유기물 및 금속 이온 제거를 위해 사용됩니다. 불산은 실리콘 산화막(SiO₂)을 제거하는 데 필수적인 화학물질이며, 산화막 두께를 조절하거나 오염 층을 제거할 때 주로 사용됩니다. 식각 공정에서는 패턴을 형성하기 위해 선택적으로 물질을 제거해야 하며, 이때 습식 식각에서는 인산(H₃PO₄), 불산, 질산 등이, 건식 식각에서는 플루오린계 가스(CF₄, SF₆, C₄F₈ 등)가 사용됩니다. 건식 식각은 플라즈마 상태에서 이온과 반응성 가스를 이용하여 정밀하게 식각하며, 식각의 선택성과 등방성 조절에 중요한 역할을 합니다. 이처럼 식각과 세정은 화학 반응이 중심이 되는 공정이며, 사용하는 화학물질의 반응 조건, 농도, 온도에 따라 공정 결과가 크게 달라집니다. 이에 따라 공정 안정성과 반복성을 확보하기 위해 자동화된 화학물 관리 시스템이 함께 도입되며, 작업자와 환경을 보호하기 위한 정밀 환기 시스템, 화학물 저장소의 자동 모니터링 시스템도 필수적으로 운영됩니다.
포토 공정과 박막 증착 공정에서의 화학약품
포토리소그래피 공정은 웨이퍼에 회로 패턴을 형성하기 위해 감광물질인 포토레지스트(Photoresist)를 도포하고, 노광(Exposure) 후 현상(Developing)을 통해 원하는 패턴을 남기는 단계입니다. 이때 포토레지스트는 유기 고분자와 감광제가 혼합된 화학물로, 노광된 영역의 화학 결합이 변화되어 현상액에 의해 제거되거나 남게 됩니다. 현상 공정에는 일반적으로 수산화테트라메틸암모늄(TMAH) 용액이 사용되며, 이를 통해 노광된 부분만 제거하거나 보호하는 것이 가능합니다. 포토 공정에서 사용되는 포토레지스트는 극자외선(EUV) 공정 도입과 함께 고감도, 저잔류형 소재로 발전하고 있으며, 이에 따라 독성과 반응성이 높은 신소재들도 함께 개발되고 있습니다. 한편, 증착 공정에서는 반도체 소자의 층을 형성하기 위해 다양한 전구체 화학물질이 사용되며, CVD(화학기상증착) 또는 ALD(원자층증착) 방식으로 얇은 박막을 형성합니다. CVD에서는 실란(SiH₄), 아모니아(NH₃), 질소(N₂), 산소(O₂), 티타늄 테트라클로라이드(TiCl₄), 알루미늄 전구체 등이 사용되며, 각각 산화막, 질화막, 금속막 형성에 적용됩니다. ALD는 원자 단위로 박막을 형성할 수 있어 초정밀 공정에 유리하며, 화학 반응의 균일성과 표면 제어성이 뛰어납니다. 이 과정에서 사용되는 화학물질은 반응성이 높고 고온 환경에서 불안정할 수 있기 때문에, 기체 흐름 제어, 잔류물 제거, 독성 가스 누출 방지 시스템이 반드시 필요합니다. 박막 증착 공정의 품질은 사용되는 화학물질의 순도와 반응 효율에 따라 좌우되며, 이를 통해 소자의 전기적 특성, 내구성, 수율이 결정됩니다.
화학물질 관리와 환경 안전 대응 체계
반도체 공정에 사용되는 화학물질은 고농도 산, 알칼리, 유기용제, 반응성 가스 등으로 구성되어 있어, 작업자와 환경에 심각한 영향을 줄 수 있습니다. 이에 따라 반도체 제조사는 화학물질의 저장, 이동, 사용, 폐기 단계에 이르기까지 전 주기를 관리할 수 있는 시스템을 갖추고 있으며, 각 공정별로 폐액 및 폐가스 처리 장치를 설치해 오염물질을 중화, 분해, 회수합니다. 예를 들어 폐산과 폐알칼리는 중화 처리 후 배출되며, 유기용제는 흡착 시스템을 통해 회수되거나 연소 처리가 이루어집니다. 또한 반응성 가스는 스크러버 시스템에 의해 수세되거나 고온 열분해로 무해화되며, 잔류 가스는 실시간 센서로 감지되어 누출 시 즉각적으로 공정이 차단됩니다. 반도체 산업은 클린룸에서 미세입자 하나로도 불량이 발생할 수 있기 때문에, 작업자 안전은 물론 공정 안정성을 위해 화학물질의 정밀한 자동 공급 시스템, 온습도·압력 제어 시스템, 독성 가스 누출 대응 체계를 동시에 운영합니다. 특히 최근에는 ESG 경영 확산과 함께, 친환경 화학물질로의 대체 연구, 독성 저감 포토레지스트 개발, 재활용 가능한 세정 솔루션 등이 확대되고 있으며, 글로벌 인증 체계(ISO14001, REACH, RoHS 등)를 만족시키기 위한 대응도 강화되고 있습니다. 화학물질은 반도체 제조에서 없어서는 안 될 핵심 자원이지만, 그만큼 관리 체계가 고도화되어야 하며, 이를 통해 안전성과 지속 가능성을 동시에 확보하는 것이 현대 반도체 제조의 필수 과제가 되고 있습니다.