“반도체 특수가스는 반도체 공정의 성패를 좌우하지만, 앞으로는 ‘새 가스’보다 ‘품질·공급망·환경’이 경쟁력을 결정한다”

김오현 에어리퀴드솔루션즈코리아 대표이사는 지난 4월24일 FKI타워 컨퍼런스센터에서 열린 ‘고기능성 반도체 소재 기술세미나’에서 ‘Electronic Specialty Gas - Product trends and new developments’를 주제로 발표하며, 반도체 공정에서 특수가스가 맡는 역할과 시장의 변화 방향을 짚었다.

반도체 제조에서 가스는 크게 장비를 돌리는 ‘캐리어 가스’와 공정에 직접 투입되는 ‘특수가스’로 구분된다.

캐리어 가스는 압력 제어, 밸브 구동, 열전달 등 장비 운전 전반에 쓰이며, 질소 같은 불활성 가스가 대표적이다.

반면 특수가스는 웨이퍼 위에 막을 쌓거나(증착), 원하는 부분을 파내고(식각) 챔버를 청소하는(클리닝) 등 5대 공정의 핵심 단계에 직접 들어간다.

김오현 대표는 “특수가스는 반도체 산업과 ‘운명을 같이’하지만, 동시에 위험성도 큰 물질”이라며 안전을 최우선 전제로 강조했다.

특수가스의 사용처를 공정별로 보면, 가장 비중이 큰 축은 증착(CVD·ALD)과 식각·클리닝이다.

메모리는 약 600공정, 로직은 1,000공정 이상으로 반복 공정이 이어지는데, 그중에서도 공정 수가 많은 것은 증착과 클리닝이라는 설명이다.

증착 공정은 말 그대로 웨이퍼 위에 필요한 박막을 ‘쌓는’ 단계다.

실리콘 소스로는 실란(SiH₄) 이 가장 널리 쓰이며, 대량 소비 특성 때문에 실린더보다 트레일러(튜브 트레일러) 방식으로 공급되기도 한다.

결정성·증착 속도 등을 제어하려면 DCS(디클로로실란) 처럼 염소가 결합된 실리콘 소스가 활용된다.

질화막(실리콘 나이트라이드) 형성을 위한 질소 소스는 암모니아(NH₃) 가 대표적이고, 산화 속도를 완만하게 해 고품질 막을 노릴 때 H₂O 같은 가스가 쓰인다는 설명도 나왔다.

금속 배선 증착에는 WF₆(텅스텐 헥사플루오라이드)가 활용되고, 도핑에는 포스핀(PH₃), 아르신(AsH₃) 등이 투입된다.

절연막·갭필(gap-fill) 용도로는 TEOS 등도 언급됐다.

식각은 패턴 외 영역을 ‘파내’ 구조를 만드는 공정으로, 플라즈마와 분위기 가스 조합이 최종 형상을 좌우한다.

이 과정에서는 플루오린(F) 계열 가스가 다수 쓰이며, 수소·산소·아르곤·헬륨 등을 섞어 에치레이트(식각 속도), 열전달, 플라즈마 특성을 정교하게 조절한다.

또한 카본 함량이 높은 가스는 폴리머 형성으로 식각을 억제하기도 하지만, 깊고 균일한 식각이 필요한 3D NAND 등에서는 오히려 보호막 역할로 도움이 될 수 있다.

클리닝(챔버 청소)은 ‘특수가스 시장의 왕좌’로 지목됐다.

증착 후 챔버 벽면에 누적되는 잔여물을 제거하지 않으면 파티클로 떨어져 수율을 훼손할 수 있는데, 이를 막기 위해 NF₃(삼불화질소)를 투입해 챔버를 청소한다.

김오현 대표는 “NF₃는 식각에도 쓰이지만 실질적으로는 클리닝용 비중이 더 크다”며 “사용량과 시장 규모가 압도적”이라고 강조했다.

특수가스 시장의 규모를 매출 기준으로 보면 클리닝이 가장 크며 약 14억 달러 수준으로 제시됐다.

그 다음 축은 실리콘·실리콘나이트라이드 계열 등 증착 분야로, 증착 관련 항목들을 합치면 또 다른 ‘큰 시장’을 형성한다는 분석이다.

식각 분야도 약 10억 달러에 근접한 규모로 소개됐다.

품목별(프로덕트별)로 보면 NF₃가 단일 품목 기준 최대 시장으로 제시됐고, WF₆, 암모니아, 실란 등이 뒤를 잇는 대표 제품군으로 언급됐다.

김오현 대표이사는 “연간 1억 달러(약 1,400억원) 수준도 결코 작은 시장이 아니다”라며, 상위 품목들이 ‘규모’와 ‘필수성’을 동시에 갖췄다고 설명했다.

또한 전자 산업 전체로 확장해 보면 특수가스는 반도체(실리콘 기반)에서 가장 많이 사용되며, 화합물 반도체·디스플레이·태양광 등도 쓰지만 ‘사이클’의 영향을 받는 정도는 분야별로 다르다고 덧붙였다.

향후 시장을 좌우할 변화로는 공급망 관리와 품질 관리의 강화가 꼽혔다.

특히 증착용 가스는 웨이퍼에 ‘남아’ 최종 칩으로 이어질 수 있어, 품질 문제의 파급력이 훨씬 크다는 점이 강조됐다.

이에 따라 고객사는 원료의 원료까지 추적하는 수준의 관리와 생산 이력 데이터 제공을 요구하고, 공급사 역시 단순 품질보증을 넘어 전 공정 이력을 제공해야 하는 흐름이 나타난다는 것이다.

특수가스와 함께 자주 언급되는 프리커서(전구체) 와의 차이도 소개됐다.

프리커서는 특정 공정을 위해 “목적 지향적으로 설계된 복잡한 분자”로, 분자(IP) 특허와 장비사와의 결합이 진입장벽을 만든다.

반면 특수가스는 상대적으로 “짧고 단순한 분자”가 많아 분자 IP 자체는 거의 없고(생산 공정 IP는 존재), 고객이 가격·품질에 따라 공급사를 쉽게 바꿀 수 있다고 설명했다.

가격 격차도 커서 경우에 따라 그램당 가격이 최대 1만 배까지 차이가 날 수 있다고 했다.

식각·클리닝 분야의 최대 이슈는 지속가능성(환경 규제)로 정리됐다.

온실가스 관점에서 프로세스 가스의 비중이 크고, 일부 가스는 CO₂ 대비 지구온난화지수(GWP)가 매우 높아 규제 압력이 커지고 있다는 것이다.

여기에 PFAS(과불화화합물) 규제 이슈가 겹치면서, 성능을 유지하면서도 배출을 줄이거나 대체 분자를 찾는 과제가 제기됐다.

김오현 대표이사는 “궁극적으로는 사용을 줄이는 방향이 필요하지만, 대체 분자 찾기가 쉽지 않다”며 현실적 어려움을 토로했다.

국내 특수가스 수요 전망에 대해 김오현 대표는 실란·NF₃ 같은 ‘뼈대’ 품목은 웨이퍼 투입량에 비례해 유기적으로 증가한다고 밝혔다.

다만 최근에는 가격 전략 등의 영향으로 웨이퍼 생산량 자체가 크게 늘지 않아 볼륨 증가가 기대만큼 크지 않다는 점을 ‘아쉬운 대목’으로 짚었다.

그럼에도 중장기적으로는 NAND 생산량 확대가 소재(가스) 업계에 큰 볼륨을 만들어주는 요인이 될 수 있으며, 2030년 전후에 수요가 ‘계단식(스텝 펑션)’으로 커질 가능성을 제시하며, 한국 특수가스 시장은 연 1∼5% 수준의 완만한 증가가 이어질 것으로 예상했다.