지금이 바로 지속 가능한 반도체 제조의 적기

역사적으로 휘발성 과불화탄소(PFC) 화합물은 에칭 및 챔버 크리닝 공정에서 물질을 제거하는 데 사용되는 반응성 불소 원자의 공급원으로서 반도체 제조에 중요한 역할을 해 왔습니다. 이는 안정적이고 대기 중에 긴 수명을 갖는 경향이 있으며, 높은 온난화 잠재력을 가진 강력한 온실 가스를 만듭니다.

지구 온난화에 대한 인식이 확산되기 시작한 1999년에 반도체 제조업체들은 향후 10년간 각 지역의 기준치보다 PFC 배출량을 10% 이상 줄이기로 약속했습니다. 2010년에는 당초 목표를 훨씬 뛰어넘는 32%의 감축을 달성했습니다. 당시 그들은 2010년 기준치보다 30% 낮은 정규화된 배출율(NER - 실리콘 cm2당 CO2 e 킬로그램)을 목표로 추가 감축을 다시 약속했습니다.

더 많은 레이어를 가진 더 복잡한 제품과 새로운 가스를 사용하는 첨단 에칭 공정에도 불구하고 2020년까지 22.9%의 감소를 달성했습니다. 현재 WSC는 IPCC의 2019년 최신 방법론을 사용하여 배출량을 추정하는 새로운 PFC 감축 10년 목표를 수립하기 위해 노력하고 있습니다(그림 1). PFC 사례는 복잡한 환경 문제에 대한 해결책을 모색하는 과정에서 직면하는 어려움을 보여주는 훌륭한 예입니다.

PFC 배출량을 줄이는 데 성공한 두 가지 주요 요소는 여러 챔버 크리닝 응용 분야에서 비 PFC NF3로 전환하는 것과 공정 챔버에서 배출되는 소비되지 않은 PFC 가스를 파괴할 수 있는 저감 기술을 채택하는 것입니다. PFC는 플라즈마 또는 연료 기반 버너로 파괴될 수 있습니다. 플라즈마는 연소 연료에서 탄소 배출을 추가하지 않는다는 장점이 있습니다. 그러나 실제로 기술의 선택은 연료 가스와 비교하여 전력의 상대적 비용 및 가용성에 의해 좌우되는 경우가 많습니다.

전력을 사용할 수 있고 비용 효율적일지라도 석탄 또는 재생 가능 에너지와 같은 전력 공급원도 탄소 순배출량 범위 2 계산에서 고려해야 합니다. 버너의 설계로 인해 솔루션은 더욱 복잡해집니다. NF3 자체에는 탄소가 포함되어 있지 않지만, 탄화수소 연료의 화염 속에서 연소하면 PFC가 생성될 수 있습니다.

이 문제는 화염의 온도 변화가 심하기 때문에 발생하며, 해결책은 내연 연소기라고 하는 특수 설계된 버너를 사용하여 중요 영역의 온도를 보다 균일하게 유지하고 탄소 함유 연료를 공정 가스에서 대부분 분리하는 것입니다.

반도체 제조업체들은 제조 공정의 큰 전력 수요를 환경적 관점은 아니더라도 비용적 관점에서 오랫동안 민감하게 받아들였습니다. 대부분의 추정치는 공정 장비가 사용하는 에너지의 비중을 팹이 사용하는 전체 에너지의 절반 이하로 추정합니다. 그 중 절반 정도는 많은 공정이 작동하는 데 필요한 진공 조건을 유지하는 데 사용되는 펌프가 사용합니다.

펌프 제조업체들은 산업 초기부터 제품의 에너지 효율을 지속적으로 개선해 왔습니다. 새로운 메커니즘, 더 높은 샤프트 속도, 파워 인버터 기술 및 새로운 물질이 모두 기여했습니다. 많은 부분이 이미 오래 전에 달성되었지만 일부 분야에는 여전히 개선의 여지가 남아 있습니다.

가장 유망한 기술 중 하나는 유휴 모드 작동(그린 모드라고도 함)을 구현하는 것으로, 펌프가 작동하는 공정이 유휴 상태일 때 펌프가 저전력 상태로 전환되는 것입니다. 가장 큰 과제는 팹의 공정 장비와 서브팹의 펌프 간에 긴밀한 조율이 필요하다는 점입니다.

이러한 조정을 지원하는 기술은 이미 존재하며, 그 구현에 대한 저항의 일부는 운영자가 고수익 대량 생산 운영의 어떤 측면을 변경하는 것을 꺼리기 때문일 것입니다. 친환경 모드 운영은 현재 진행 중인 생산에 근본적인 변화를 주지 않으면서도 단기적으로 온실 가스 배출량을 줄일 수 있습니다.

안타깝게도 현재 첨단 노드에서 가동 중인 다른 공정은 전력 소비를 크게 증가시킬 가능성이 있으며, 그중에는 기존 193nm 침지 리소그래피보다 약 10배 더 많은 전력을 사용하는 EUV 리소그래피가 있습니다. 처리 단계 수의 감소와 같은 상쇄 요인이 있습니다. 그럼에도 불구하고 IMEC의 분석[4]에 따르면 28nm 노드에서 2nm 노드로 전환할 경우 웨이퍼당 전력 소비는 3.46배, 온실 가스 배출량은 2.5배 증가할 것으로 추정됩니다.

대량 생산에 EUV 리소그래피를 최초로 도입한 제조업체인 주요 파운드리는 수년간 10KWH를 약간 밑돌던 정규화 에너지 소비량(8인치 등가 웨이퍼 마스크 레이어당 KWH)이 2019년에 12.5KWH로 25% 이상 증가했습니다.

반도체 제조의 추세는 분명히 전력 소비를 증가시키는 추세이지만(그림 3), 해결책도 분명합니다. 에너지 소비를 재생 에너지원으로 전환해야 합니다.

이는 주요 제조업체에서 놓치지 않는 솔루션입니다. 2020년에 이 파운드리는 인근에 건설 중인 920메가와트 해상 풍력 발전소의 모든 에너지를 20년간 구매하는 세계 최대 규모의 재생 에너지 구매 계약을 체결하고 2050년까지 100% 재생 에너지를 사용하기로 약속했습니다[6]. 미국 최대 규모의 IDM은 2030년까지 100% 재생 에너지를 사용하기로 약속했습니다. 다른 주요 기업들도 비슷한 약속을 했지만, 언제나 그렇듯 문제는 세부 사항에 있습니다.

IPCC의 증거에 기반한 결론은 분명합니다. 인간이 지구 온난화를 초래하고 있다는 것입니다. 그 예측은 끔찍하며, 무대책으로 인한 인적, 경제적 비용이 완화 비용을 훨씬 초과합니다. 오늘날 반도체 산업이 온실 가스를 가장 많이 배출하는 산업은 아니지만, 그 배출량은 상당하며 빠르게 증가하고 있습니다.

반도체 제조 공정에서 단기적으로 온실 가스 배출을 줄일 수 있는 조치에는 잘 설계된 PFC 저감 및 친환경 모드 진공 펌프 작동 등이 있습니다. 지금까지 가장 중요한 변화는 업계와 공급망 전반에 걸쳐 재생 에너지원으로 전환하는 것입니다. 미국이 파리 협정에 복귀함에 따라 당사국 회의에는 다시 한 번 모든 주요 경제 강대국이 포함됩니다. 우리는 국가 지도자들에게 조율된 리더십과 재정적 약속을 요구해야 하며, 온실 가스 배출을 줄이기 위해 지역부터 전 세계에 이르기까지 모든 수준에서 지속적으로 노력해야 합니다.

DR. CZERNIAK은 Edwards Vacuum의 환경 솔루션 사업 개발 관리자로, 오랜 경력을 쌓으며 다양한 리더십 직책을 역임했습니다. 또한 브리스톨 대학의 화학과 초빙 산업 교수이자 IPCC의 반도체 산업 대표로서 최근 평가 보고서(AR6)의 검토자로 참여했습니다.