[피스앤칩스]먼지 한톨 허용 않는다…반도체 공장이 '순수' 고집하는 이유

반도체 전 공정서 외부 오염 원천 차단
청정 공간 '클린룸'에 불순물 없앤 '초순수'까지
오염 사고로 점유율·매출 하락한 日 키옥시아
반도체 품질 높이는 청정 제조가 곧 사업 경쟁력

편집자주현대 산업의 쌀로 불리는 반도체. 매일 듣는 용어이지만 막상 설명하려고 하면 도통 입이 떨어지지 않죠. 어렵기만 한 반도체 개념과 산업 전반의 흐름을 피스앤칩스에서 쉽게 떠먹여 드릴게요. 숟가락만 올려두시면 됩니다.

[아시아경제 김평화 기자] 반도체 공장을 떠올리면 어떤 모습이 그려지시나요? 보통 전신을 감싼 방진복을 입은 직원이 라인별로 작업하는 상황을 그리실 분들이 많을 것 같습니다.

방진복은 몸에서 발생하는 각종 이물질과 먼지를 외부로 배출하는 것을 막는 기능을 합니다. 작업 과정에서 생길 수 있는 정전기도 막죠. 반도체 공장은 이처럼 외부 오염에 특히나 민감한 곳에 속합니다.

주황색 방진복을 입은 SK하이닉스 직원이 웨이퍼를 들고 있다. / 사진=SK하이닉스 제공

반도체 공장에선 주로 실리콘(Si) 소재 원형 기판인 웨이퍼에서 8대 공정 기반의 수많은 작업을 거쳐 반도체를 생산합니다. 웨이퍼에 보호막이자 절연체 역할의 산화막을 형성하고 나노미터(㎚·1㎚는 10억분의 1m) 단위의 회로 패턴을 그리는 작업을 진행하죠. 이후 얇은 두께의 박막을 씌우고 전기 배선을 만든 뒤 불량품을 걸러냅니다.

간단히 설명했지만 하나의 반도체가 탄생하기까지 수개월이 소요될 정도라고 하는데요, 이 과정에서 어느 한 공정에도 문제가 발생하면 안 되다 보니 이물질을 완벽히 제어하는 것이 필수입니다.

한 개 웨이퍼에서 여러 개 반도체 칩이 제조된 모습 / 사진=SK하이닉스 제공

반도체 공장에선 이를 위해 내부 시설을 클린룸(Clean Room)으로 운영하죠. 먼지가 없는 청정 공간이라고 이해하시면 됩니다. 특징은 외부의 오염 공기가 내부로 침투하지 않도록 대기압을 높여 공기가 외부로 흐르도록 했다는 점입니다.

바닥에는 일일이 세기 힘들 정도로 많은 수의 작은 구멍이 촘촘히 있는데요, 공기를 위에서 아래로 빠지게 하면서 필터로 불필요한 입자를 걸러내는 공기청정기 역할을 합니다. 공기 중 떠다니는 먼지와 피부에서 떨어지는 각질 등 유기물 조각 하나만 있어도 불량이 발생할 수 있기에 원천 차단하는 겁니다.

삼성전자 평택 캠퍼스 클린룸 모습. 흰색 방진복을 입은 직원과 구멍 뚫린 바닥을 확인할 수 있다. / 사진=삼성전자 제공

공기만큼 사용하는 물도 철저히 관리합니다. 반도체 공장에선 웨이퍼를 깎는 식각 등 주요 공정에서 물을 주로 사용하다 보니 하루에만 수십만톤의 물을 쓴다고 합니다. 이때 전해질이나 미생물, 생균 등 불순물을 제거한 초순수(Ultrapure Water)를 주로 사용하죠.

반도체 생산이 점차 늘어나는 상황에서 초순수 확보가 반도체 품질과 직결될 수 있다 보니 최근엔 민간과 정부까지 나서 국산화 작업을 열심히 하고 있습니다. 일본 수입에 의존하다 보니 잠재적인 리스크가 크다고 판단한 거죠.

웨이퍼를 빠른 속도로 회전시키면서 초순수를 분사해 세척하는 공정을 안내하는 이미지 / 출처=삼성전자 반도체 유튜브 계정 갈무리

만약 반도체 공장에서 오염 문제가 생기면 사업 타격이 얼마나 클까요? 미국 웨스턴디지털과 일본 키옥시아가 공동 운영하는 반도체 공장에서 발생한 사례를 짚어보면 답이 보입니다.

지난 2월 일본 낸드플래시 공장 두 곳에선 낸드 생산에 쓰이는 부자재에 불순물이 섞여 생산이 중단된 적 있습니다. 이로 인해 키옥시아는 올해 1분기와 2분기에 각각 전분기 대비 매출이 4.5%, 16.3%나 줄었습니다. 2분기엔 세계 시장 점유율 순위도 2위에서 3위로 내려앉았죠. 청정 반도체 공장 운영이 곧 사업 경쟁력인 이유입니다.

김평화 기자 peace@asiae.co.kr