[HOT ISSUE] 국내 반도체용 에칭가스 산업의 현실

국내 고순도 시장규모 LHF 4만톤/年, GHF 10톤/年

 

일본의 수출규제는 한국의 강제징용에 대한 배상판결에 불복해 보복조치를 한 것이다. 우리나라 경제의 버팀목이라고 해도 과언이 아닌 반도체 산업에서 비중이나 매출은 적지만 반드시 필요한 소재부분을 건드리며 경제 급소를 가격했다.

그중에도 플루오린화 수소(HF, hydrogen fluoride, 불화수소)의 수입규제는 규모는 작지만 피드백은 강한 폭탄이 됐다.

일반적으로 반도체 제조산업은 반도체 칩을 만드는 Fabrication공정과 만든 칩을 Lead Frame 등에 부착하여 패키징하는 Assembly공정으로 나눈다. 이같은 공정에서 반도체 소재중 하나인 반도체용 특수가스는 분위기용, 증착용, 도핑용, CVD용, 에칭용(식각) 등 각각의 제조공정에서 사용된다.

반도체 제조공정상에 사용되는 에칭가스로는 공정과 제품에 따라 HF, NF3, Cl2, HCl, SF6, HBr, CF4, BCl3, C3F8, SiF4, C2F8 등이 사용된다.

일반적으로 식각 공정이라고 불리는 에칭(etching)작업은 미술에서 오목판화를 그리기 위해 금속판 표면에 부식방지약제를 칠한 다음 바늘과 같은 뾰족한 도구로 부식방지약제를 긁어내는 방식으로 원하는 이미지를 그린 후 부식액에 넣으면 부식방지약제를 긁어낸 부분만 부식돼 판화가 완성된다. 반도체의 에칭도 부식방지약제를 긁어서 제거하는 작업의 원리와 비슷하다고 할 수 있다.

 

<용도별 반도체 재료가스>

 

 

 

 

특히 최근 수입에 문제가 되고 있는 불화수소는 반도체 웨이퍼에 미세한 회로 패턴을 그리는 포토리소그래피 공정에서 특정부분을 선택적으로 깎아내는 작업을 하는데 필요하다. 이 때 에칭 공정에서 포토레지스트에 피복되지 않은 부분의 산화막을 제거하는 데 고순도 액체 불화수소가 쓰이게 된다. 또한 산화막이 분포된 웨이퍼 표면을 고르게 하는 작업에서도 필요하며 순도가 높을수록 제품의 수율을 높일 수 있는데 용이하다는 것이다.

이같이 반도체에서 사용되는 에칭가스인 HF는 플루오린화 칼슘(CaF2)로 이루어진 등축정계의 결정형 할로겐(halogen) 광물인 형석(Fluorite)이라는 물질에 황산(H2SO4)을 반응시켜 약 600K의 온도로 가열 반응시켜 생성한다. 이렇게 반응시켜 생산된 것이 99.99% 이하의 저순도 불화수소이며 함유된 불순물로는 H2SiF6(0.001%), SO2(0.003%), H2SO4(0.005%), H2O(0.0005%) 등과 미량의 As, Fe 등이 포함돼 있다.

고순도 불화수소 제조를 위해서는 추가적인 정제과정을 거쳐 이같은 불순물들을 대부분 제거해야하며 순도 99.999% 이상의 제품이 반도체 공정에 쓰이게 된다.

지난해 기준으로 우리나라가 수입한 불화수소는 1.6억 달러로 한화 1,920억원 규모였으며 일본산 비중이 42%에 이르는 것으로 나타났다. 하지만 이는 저순도 액체 불화수소를 포함한 비중이며 고순도 기체 불화수소에 대한 일본의존도는 90% 이상 되는 것으로 파악되고 있다.

액체 고순도 불화수소는 컴퓨터 핵심 부품의 하나인 주기억장치인 DDR4 등 램(RAM)의 제조 과정에 주로 쓰이며 적층 메모리 3D, 4D 등의 낸드플래시에 생산공정에는 고순도 기체 불화수소가 에칭작업에 사용되고 있다.

이처럼 반도체 공정에서 고순도의 불화수소가 사용되는 것은 공정상 소재에 함유된 불순물이 회로 손상을 일으키기도 하고 반도체 성능을 저하시키는 원인이 될 수 있는 탓에 반도체내의 회로가 복잡하고 세밀해질수록 이를 고품질화할 수 있는 에칭공정에 적합한 성질을 가진 고순도 불화수소가 필요한 것이다.

현재 우리나라에 필요한 고순도 불화수소는 99.999% 이상 액체상태의 제품이 연간 4만톤 정도로 추정되며 기체 고순도 제품은 99.999%이상이 10톤 가량인 것으로 파악되고 있다.

이처럼 불화수소의 수요량은 많은 편이 아니다. 일반적으로 불산으로 불리는 저순도 불화수소는 유통량이 상대적으로 많은 편이지만 우리나라가 전 세계 시장의 60% 이상 차지하고 있는 RAM 공급량을 기준으로 볼 때 연간 4만톤 가량의 반도체용 액체 불화수소 시장이 반도체에서 차지하는 비중은 너무 작다. 시장규모도 톤당 2,500달러를 기준으로 할 때 연간 1억 달러 수준에 불과하다. 하지만 170조원의 반도체 산업에는 치명적인 아픔을 남기고 있다.

우리나라는 현재 모리타가 투자한 팸테크놀로지가 원료수입을 통해 국내 제조하는 상황에서 솔브레인(스텔라 케미파 합작법인 훽트(FECT))이 오는 9월부터 액체 불화수소 20,000톤의 증설 계획을 추진하고 있어 양산시점에는 수입량과 가격하락도 예상되는 상황이다.

지금까지 고순도 불화수소의 전 세계 시장 점유율이 1~2개 일본 기업에 치우쳐 있다는 사실만으로 시장규모나 성장동력은 상당히 약한 편이다. 그렇기 때문에 정제하는 기술개발보다는 사서 쓰는 것이 일반화될 수밖에 없게 됐지만 지금과 같은 경제전쟁이 발발한 시점에서는 기초적인 기술의 확보는 불가피하게 됐다.

실제로 불화수소의 정제기술 자체는 쉽지 않지만 기초화학적인 수준에서 재접근해보면 우리나라 기술로도 개발이 어렵지는 않다는 평이다.

화학적인 방법으로 99.99% 수준의 액체 불화수소를 정제 제조하는 데는 일반적인 증류 기술을 이용해 규소 성분의 불순물을 제거하면 된다. 하지만 0.001% 안에 함유된 Si, B, As, P, S, Cl 등 불순물을 10ppm 이하로 제거하는 정제기술은 녹록치가 않은 실정이다. 또한 이러한 방법들은 대체로 공정의 난이도가 매우 높은데다 제조와 정제에 사용되는 화학물질들이 전부 독성을 품고 있어서 취급에 상당한 어려움이 전제되고 있다.

그러나 계산적으로는 이같은 불순물의 종류에 따라 각각의 특화된 증류기술을 사용해 0.001ppb 수준까지 낮추는 정제가 전혀 불가능하지는 않다는 설명이다.

이런 차원에서 SK머티리얼즈가 연말까지 고순도 기체 불화수소의 시제품 개발에 대한 생산의지를 나타내고 본격적인 생산설비를 구축하고 있다고 밝혔다. 현재 고순도 기체 불화수소는 25kg용 실린더로 공급되며 공급가는 50~60만원/kg 가량으로 국내 연간 수요량은 10톤에 지나지 않고 있다.

차후 우리나라 기업이 수입산 제품의 국산화를 이룬다고 해도 반도체 산업의 특성에 맞는 확실한 검증작업이 필요하다. 그동안 싫든 좋든 삼성전자와, SK하이닉스 등 대표적인 반도체기업들이 일본 제품을 들여왔던 것도 원가비중이 낮고 품질테스트가 충분히 확보된 탓이다.

고순도 불화수소의 주 생산업체는 일본 스텔라 케미파와 모리타화학 등이며 전 세계 시장의 70%를 차지하고 있으며 대부분은 우리나라로 수출되고 있는 것으로 알려져 수출규제가 계속 이어질 경우 일본기업들도 주거래처 상실로 인한 경영부실로 이어질 가능성이 높은 상태인 것으로 전해졌다.