반도체 제조에서 PFAS의 역할

PFAS 개요

페르플루오르 및 폴리플루오르 알킬 물질(통칭 PFAS)은 1940~50년대에 제조 대기업인 3M과 DuPont가 개발한 약 15,000가지의 합성 화학물질 군입니다. 시장 출시 이후 수십 년간 PFAS는 방수, 발수, 오염 방지, 내유성 등 유익한 특성 덕분에 의류·가구부터 조리기구, 식품 포장재 등 다양한 필수 소비재에 광범위하게 사용되었습니다. 

전자 산업에서의 PFAS 사용

PFAS는 전자 부품 제조 분야에서도 널리 활용되고 있습니다. 전자 케이블, 컴퓨터 부품, 절연재, 의료 기기, 씰·개스킷, 튜브 등 다양하게 적용되어, 실제로 여러 전자제품에서 PFAS가 검출됩니다. 예를 들어,

• PCBA(인쇄 회로 기판 어셈블리)
• PCB 라미네이트
• 컴퓨터 하드 드라이브
• 반도체
• PTFE 테이프

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최근 PFAS가 비판받는 이유

지난 25년에 걸친 연구 결과와 80년에 가까운 화합물 사용 경험을 바탕으로, PFAS의 유해성이 입증되었습니다. 다수의 PFAS는 생물 농축성이 뛰어나고, 인체 및 동물에 독성을 지니며, 수십 년 또는 수백 년 동안 환경에 잔류할 수 있습니다. 이러한 증거가 축적되면서, PFAS 및 그 사용을 대폭 제한해야 한다는 사회적 합의가 확산되고 있습니다. 이는 인간과 야생동물의 건강을 보호하기 위해서입니다. 

PFAS: 불가피한 필요악? 

소위 ‘영원한 화학물질’의 사용이 포함된 산업군에 대한 대중 인식이 빠르게 확산되고 있지만, PFAS 사용 중단 논의에서 자주 배제되는 분야가 있으니 바로 반도체 제조 산업입니다. 

PFAS는 반도체 제조 공정에서 오랫동안 필수적 역할을 해왔습니다. 화합물은 여러 세부 제조 단계에서 핵심적 기능을 담당하며, 패키징 소재의 주요 구성 요소이자 반도체 제조 장비 및 공장 인프라의 다양한 영역에 중요하게 사용됩니다. PFAS가 없다면 제조사는 현재 생산량을 유지하기 어렵게 되며, 첨단 반도체 제조 역량 역시 크게 저하될 가능성이 높습니다. 

즉, PFAS는 매우 중요한 반도체 산업에서 불가피한 필요악으로 자리 잡은 셈입니다. 앞으로 정부, 규제 기관, 그리고 대중은 다음과 같이 깊게 복잡한 질문에 직면할 것입니다: 가장 핵심적인 첨단 기술 하드웨어를 생산하는 업계에서 반드시 필요한 화합물을 어떻게 제한할 수 있는가? 

가장 핵심적인 첨단 기술 하드웨어를 생산하는 업계에서 반드시 필요한 화합물을 어떻게 제한할 수 있는가? 

반도체 제조 공정에서의 PFAS 

반도체 기업들은 최근 몇 년간 클린룸, 생산라인, 패키징 공정에서 악명 높은 일부 PFAS 제거를 위한 유의미한 조치를 취해왔습니다. PFOA 사용은 단계적으로 중단되었고, 긴 사슬 구조의 PFAS도 반도체 제조에서 지속적으로 제외되고 있습니다. 하지만 업계는 여전히 짧은 사슬 구조의 PFAS에 크게 의존하고 있습니다. 이는 분자 하나에 탄소가 7개 이하인 PFAS 버전을 의미합니다.

짧은 사슬 PFAS로 업계 전환

반도체 업계의 짧은 사슬 PFAS 전환은 산업 전반의 흐름에서 비롯되었습니다. 많은 산업 분야에서는 ‘레거시 PFAS’로 불리는 긴 사슬 화합물을 짧은 사슬로 대체 중입니다. 이는 짧은 탄소 사슬이 짧은 반감기와 낮은 생체농축을 유도해 환경 내 PFAS 존재를 줄이고 인체 및 생태계에 대한 독성을 완화할 수 있다는 논리에 기반합니다. 그러나 현재까지 짧은 사슬 PFAS가 기존 화합물보다 덜 유해하다는 명확한 근거는 나오지 않았습니다. 

현 시점에서 짧은 사슬 PFAS는 업계에 없어서는 안 될 존재입니다. 반도체·마이크로프로세서 생태계의 주요 산업 협회인 SEMI는 최근 반도체 제조에서 PFAS의 역할과 중요성을 성명서로 발표했습니다. “반도체 생산, 반도체 제조 장비, 전반적인 반도체 산업 공급망, 그리고 첨단 기술 분야 전반에서 PFAS가 사용된다”고 명시하며, 반도체 칩 및 유사 기기는 “공급망의 다양한 단계에서 PFAS가 없이는 생산이 불가능하다”고 단언했습니다.

산업 단체는 PFAS가 "반도체 생산, 반도체 제조 장비, 전체 반도체 산업 공급망, 그리고 첨단 기술 분야 전반에 걸쳐 사용되고 있다"고 설명했습니다.

포토리소그래피 공정에서의 PFAS 

포토리소그래피 공정은 반도체 제조의 핵심 단계입니다. 이 과정에서 실리콘 웨이퍼에 포토레지스트를 코팅한 뒤, 마스크의 복잡한 기하학적 패턴을 자외선(UV)으로 웨이퍼에 전사합니다(포토레지스트와 자외선의 상호작용). PFAS는 포토레지스트의 접착력, 내구성, 열적 안정성 향상에 기여하기 때문에 자주 활용됩니다. 

특히 PFAS는 심자외선(DUV) 리소그래피에서 중요한 포토레지스트 설계에 핵심적입니다. Semiconductor PFAS Consortium은 “표면 도포 균일성, 저결함 완전 레지스트 제거, 선폭 거칠기 개선 및 선 붕괴 감소”와 같은 필수 특성을 확보하기 위해 PFAS를 활용 중이라고 설명합니다.

PFAS는 웨이퍼에서 포토레지스트를 세정할 때 사용하는 린스 솔루션의 계면활성제로도 쓰입니다. 이 과정에서 PFAS는 표면 장력을 낮추고 패턴 붕괴를 방지하는 데 기여합니다. 

PFAS는 웨이퍼에서 포토레지스트를 제거하는 린스(세정) 용액의 계면활성제로도 사용됩니다. 이를 통해 표면 장력을 낮추고 패턴 붕괴를 예방할 수 있습니다. 

패키징 소재에서의 PFAS

칩 제조 공정뿐 아니라, PFAS는 패키징과 같은 후단 공정에서도 가치 있는 소재입니다. PFAS의 뛰어난 열·화학적 안정성, 낮은 표면 에너지, 낮은 수분 흡수율, 낮은 유전율(전력 손실 최소화에 적합) 등은 복잡하고 정밀한 패키징 공정에서 사용되는 소재에 모두 필요한 특성입니다. 

패키지 기판은 반도체가 요구하는 기계적·열적·전기적 기능을 충족하기 위해 다양한 중요한 사양을 갖춰야 합니다. 이는 위에서 언급한 열적·화학적 안정성, 낮은 수분 흡수율, 낮은 유전율뿐 아니라 난연성을 포함합니다. PFAS는 이러한 특성을 모두 가지므로, 기판 소재의 주요 성분으로 필수적입니다. 플루오르화 폴리머(일종의 PFAS)는 기판 코어를 저열팽창계수(CTE)로 만들어 기판이 폭넓은 온도 환경에서도 안정성과 형태를 유지하게 합니다. 

PFAS는 패키징용 접착제 배합 소재로도 매우 효과적인 것으로 입증되었습니다. 예를 들어, 다이 어태치(die attach) 단계에선 실리콘 칩을 패키지 기판이나 프레임에 부착하는 강력한 접착제가 필요합니다. 많은 반도체가 극한 온도 환경에서 사용되기에, 이러한 접착제는 높은 열전달계수, 낮은 CTE, 온도 변동에 따른 열 피로 저항력이 필수입니다. 플루오르화 폴리머는 이러한 요구사항을 모두 충족합니다. National Academy of Engineering은 플루오르화 폴리머가 “높은 열전달계수, 낮은 CTE, 우수한 열 피로 저항성 확보에 이상적”이라고 설명하고 있습니다.

PFAS는 패키징 접착제 배합 소재로서도 매우 효과적인 화합물입니다.

반도체 제조 장비·윤활·인프라에서의 PFAS 

PFAS는 칩 제조에 사용되는 첨단·특수 제조 장비에 반드시 필요한 화합물입니다. PFAS의 화학적 반응 저항성(화학적 불활성도)과 앞서 언급한 여러 특성으로 인해, 파이프, 용기, 개스킷 등 장비 부품의 제조에 유용하게 적용됩니다. 

다양한 PFAS는 반도체 제조·공정 설비의 윤활유에도 포함됩니다. 제조사가 경제성 있는 높은 수율을 달성하려면, 윤활유가 극한 물리 환경과 공격적인 화학물질 속에서도 성능을 유지해야 합니다. 

반도체 제조가 이루어지는 클린룸은 말 그대로 ‘화학전장’과도 같습니다. 황산, 과산화수소, 테트라메틸암모늄수산화물 등 부식성, 부식촉진성 물질과 이온화된 염소·불소 같은 반응성 기체 라디칼, 그리고 특정 온도에서 자연 발화하는 파이로포릭 가스 등이 가득합니다. 설비 윤활유는 이러한 모든 화학물과의 반응을 견디고, 다양한 온도·화학 작용 환경에서도 안정적으로 성능을 유지해야 합니다. PFAS(예: 퍼플루오로폴리에테르[PFPE], 폴리클로로트리플루오로에틸렌[PCTFE], 폴리테트라플루오로에틸렌[PTFE])는 윤활유에 열적 안정성, 화학적 불활성도, 내열·내화학 분해 저항성을 제공합니다. 

PFAS(예: PFPE, PCTFE, PTFE)는 윤활유에 극한 환경에서 요구되는 열적 안정성, 화학적 불활성도, 내열·내화학성을 제공합니다. 

마지막으로, 이러한 뛰어난 내구성은 PFAS가 반도체 제조 시설 인프라의 주요 소재가 되는 배경이기도 합니다. PFAS는 수처리 시스템, 고도 특수 탱크, 씰, 밸브 등에 자주 사용되어 제조 과정에서 높은 순도를 보장합니다. 

글로벌 PFAS 규제 동향

PFAS는 반도체 제조에서 대체 불가능한 역할을 지속하고 있으며(산업 협회 SEMI는 수백, 많게는 수천 가지의 구체적 활용 사례가 있다고 주장) 규제도 빠른 속도로 확대되고 있습니다. 유럽연합에서는 잔류성 유기오염물질 스톡홀름협약(POPs)이 PFOS, PFOA 등 여러 PFAS의 사용을 제한하며, REACH(화학물질 등록·평가·허가·제한) 규정은 다수 PFAS를 SVHC(고위험 우려 물질) 후보 목록에 포함합니다. 

미국의 경우 유럽보다 공격적인 연방 규제는 미비하지만, 환경보호청(EPA)이 점진적으로 전략을 강화해 기업의 PFAS 사용 및 오염에 대해 적극 대응 중입니다. 그 결과, 미국 각 주가 자체적으로 PFAS 규제 도입에 나서고 있습니다. 

캘리포니아, 메인, 미네소타, 워싱턴 등은 특정 소비재의 PFAS 사용을 금지하는 법안을 통과시켰으며, 다수의 주가 주요 PFAS에 대한 최대오염허용치(MCLs)를 포함한 음용수 기준을 마련했습니다. 총 34개 주에서 PFAS 사용 제한, 투명성 강화, 연구·시험·정화 예산 할당 등 다양한 입법이 추진되고 있습니다. 

확대되는 PFAS 규제에 대한 반도체 업계 대응

급변하는 PFAS 규제 환경은 반도체 산업에 심각한 영향을 미치고 있습니다. SEMI, SIA(반도체산업협회) 등 업계 단체가 최근 수년간 발표한 대외 입장문, 연구자료를 보면, 업계는 PFAS가 현대 기술의 핵심임을 적극적으로 알리고 있습니다. SIA 정부 업무 부사장 David Isaacs는 2023년 글에서 “정책 당국은 반도체 산업에서 플루오르화 화학물질의 규제에 신중을 기해야 한다”며, "반도체가 경제·국가안보에 미치는 중대성을 고려할 때, 현재의 반도체 생산과 미래 혁신을 과도하게 제한하는 정책은 지양해야 한다"고 강조했습니다.

SEMI와 SIA 등 업계 단체의 각종 대외 입장문과 연구자료를 보면, 칩 제조사가 PFAS가 현대 기술 발전의 핵심임을 널리 알리고 있음을 알 수 있습니다.

2023년 EPA가 PFAS 저용량 면제(LVE) 폐지안을 제안한 후, SEMI는 한층 더 위험성을 경고하는 강경 입장을 밝혔습니다. 공식 의견서에서 SEMI는 “반도체 산업은 대체 불가능한 핵심 응용 분야에서 PFAS를 사용한다”며, LVE 폐지는 “미국 내 모든 반도체 제조의 사실상 중단으로 이어질 수 있다”고 경고했습니다.

이런 대응은 확산되는 규제와 부정적 사회 인식에 대한 업계의 강렬한 위기 인식을 보여줍니다. 업계 및 이익 단체가 한목소리로 전하는 메시지는 명확합니다: PFAS는 인체·환경에 피해를 줄 수 있으나, 이들 화합물이 반드시 악의적으로 일괄 제거되어야 할 인공 화학물질 군으로만 접근하는 것은 현실과 크게 다릅니다. 오늘날 PFAS와 사회의 관계는 훨씬 더 복잡하게 얽혀 있으며, 그 핵심 사례가 반도체 산업입니다. 

또한, 반도체 산업에서 PFAS의 역할이 타 산업군과 여러 측면에서 다름을 강조할 필요가 있습니다. 타 산업군은 화합물 제거시 내구성·기능 일부 저하에 머무르지만, 대부분 PFAS로 ‘강화’되는 제품들입니다. 반면 칩 제조에서는 짧은 사슬 PFAS가 본질적 구성 요소이자, 공정에 필수입니다. SEMI의 표현대로, LVE 폐지와 같은 규제는 미국 반도체 산업 생태계에 ‘파국적’ 영향을 미칠 수 있습니다. 

반면 칩 제조 공정에서 짧은 사슬 PFAS는 필수적이고 고유한 구성 요소입니다.