“반도체 공장 한 곳이 하루에 사용하는 물의 양이 인구 수만 명이 사는 도시와 비교될 수 있다는 사실을 알고 있나요?”
모든 반도체 공장이 같은 양을 사용하는 것은 아니지만, 일부 대형 반도체 제조시설은 하루 수백만 갤런의 물을 사용할 정도로 규모가 큽니다. SK하이닉스가 소개한 IEEE 자료에서는 반도체 공장 한 곳의 하루 물 사용량을 약 200만~400만 갤런, 인구 4만~5만 명 규모 도시의 사용량과 비교하기도 했습니다.
전력도 많이 필요합니다. 반도체를 생산하는 장비뿐 아니라 먼지를 통제하는 클린룸, 온도와 습도를 유지하는 공조시설, 장비의 열을 식히는 냉각설비와 진공·가스 시스템이 24시간 함께 작동하기 때문입니다.
우리가 사용하는 반도체 칩은 손톱만큼 작지만, 그것을 만드는 생산환경은 거대한 도시 기반시설에 가까운 모습을 하고 있습니다.
작은 칩 하나를 만드는 데 왜 이렇게 많은 물과 전기가 필요한 걸까요?
모래알 위에 지도를 그리는 극한의 스케일
반도체 공정은 나노미터 단위의 미세한 세계를 다룹니다. 머리카락 굵기가 약 5만~10만 나노미터인 것을 생각하면 그 규모를 짐작할 수 있습니다. 다만 ‘3나노 공정’은 회로의 모든 선폭이 정확히 3나노미터라는 뜻이 아니라, 반도체 기술 세대를 구분하는 명칭에 가깝습니다.
이 세계에서는 눈에 보이지 않는 입자와 미량의 이온도 회로 패턴에 결함을 만들거나 전기적 특성에 영향을 줄 수 있습니다. 작은 먼지 하나도 미세 회로에는 거대한 장애물인 셈입니다.
그래서 반도체는 공기 중 입자를 엄격하게 관리하는 클린룸에서 생산됩니다. 고성능 필터와 공조·냉각·배기 시스템을 24시간 가동해 온도와 습도, 미세 입자를 일정하게 관리하기 때문에 생산환경을 유지하는 데에도 많은 전력이 필요합니다.
반도체가 수돗물을 사용할 수 없는 이유, ‘초순수’
반도체 원판인 웨이퍼는 회로를 만드는 동안 증착과 식각 등 여러 공정을 반복합니다. 이 과정에서 남은 미세 입자와 화학물질을 씻어내야 하지만, 일반 수돗물을 사용할 수는 없습니다.
수돗물에는 칼슘과 마그네슘 같은 미네랄 이온과 미세한 불순물이 들어 있기 때문입니다. 이런 물질이 웨이퍼에 남으면 회로 패턴과 전기적 특성에 영향을 주어 불량률을 높일 수 있습니다.
그래서 반도체 공장에서는 이온과 미립자, 미생물과 용존가스 등을 극도로 줄인 초순수(Ultra Pure Water·UPW)를 사용합니다. 웨이퍼를 씻으면서 새로운 오염물질을 남기지 않기 위한 특별한 물입니다.
초순수는 수돗물을 단순히 한 번 걸러 만든 물이 아닙니다. 공장마다 차이는 있지만 역삼투, 이온 제거, 자외선 처리, 탈기와 미세여과 같은 여러 단계를 거치며 이온과 입자, 유기물과 미생물을 극도로 줄입니다.
초순수의 핵심은 강한 용해력이 아니라, 웨이퍼를 씻으면서 새로운 불순물을 거의 남기지 않는다는 데 있습니다. 공정 중 발생한 미세 입자와 화학물질을 헹궈낸 뒤에도 회로 표면을 깨끗하게 유지해야 하기 때문입니다.
주석 방울로 만드는 EUV 빛
웨이퍼에 미세한 회로를 새기는 EUV 장비에도 많은 전력이 필요합니다. EUV는 파장이 13.5나노미터인 극자외선으로, 자연광처럼 쉽게 얻을 수 있는 빛이 아닙니다.
장비 내부에서는 약 25마이크로미터 크기의 주석 방울에 레이저를 두 차례 쏴 플라스마를 만들고, 여기에서 EUV 빛을 얻습니다. 이 과정은 1초에 최대 5만 번 반복됩니다.
빛을 만드는 장치뿐 아니라 진공과 정밀한 온도를 유지하는 냉각·제어 설비도 함께 작동합니다. 작은 회로를 그리기 위해 거대한 장비와 에너지가 필요한 것, 이것이 첨단 반도체 공정의 역설입니다.
전공과 진로로 이어보기
초순수와 클린룸, EUV 기술은 반도체·전기전자·화학·재료·기계공학과 연결됩니다. 반도체 공정·장비 직무와 전공자를 위한 이공계열 장학금도 함께 살펴보세요.
