반도체 공정에 사용하고 있는 불산이란 무엇인가?

《 반도체 공정에 사용하고 있는 불산이란 무엇인가? 》

화학을 전공하였던 사람중에 황산이나, 질산, 염산등은 많이 다루어 보았으나 불산의 경우는 거의 다루는 경우가 없을 것이다.

나도 학창시절에 불산을 딱 한번 경험을 해봤는데, 대부분의 산들은 갈색 유리병에 담겨있으나 불산만은 플라스틱병에 담겨져 있었다.

왜냐하면 불산은 유리를 녹이는 성질이 있기 때문에 SiO2(이산화규소,실리콘옥사이드)가 주성분인 유리병에는 불산을 보관할수가 없다.

유리와 불산의 화학적인 반응식은 다음과 같다. SiO2(유리의 주성분) +4HF(불산) → SiF4(사불화 규소) + 2H2O(물)

앞서서 말하였지만 유리에는 SiO2가 무게비로 50~80% 들어가는 주재료로 SiO2(이산화규소) 1개가 4개의 HF(불산)과 만나서 SiF4와 물로 변화게 되고 이것으로 유리가 불산과 만나면 녹게 된다는것을 화학적으로 설명이 가능하며 따라서 불산은 폴리에스테르와 같은 플라스틱 수지에 담아두는게 일반적이다.

불산 보관 용기

나야 학생때 딱 1번만 불산을 다뤄보아 불산에 대한 별다른 감흥이 없으나 내가 존경하였던 18세기 영국의 화학 도사라고 칭해졌던 험프리 데이비라는 사람도 불산때문에 저세상을 갔던것 처럼 대단히 위험한 물질임에는 틀림없다.

험프리 데이비 초상화

 

현대에 들어와서 불산은 SiO2를 잘 녹이는 특성때문에 액정 TV의 유리 화면을 슬리밍(Slimming)하는 용도와 반도체 웨이퍼를 식각하거나 3D NAND를 제작할때 Through Hole을 식각하는 용도로 사용하게 되었다.

 

액정TV의 슬리밍을 하는 목적은 두꺼운 판 유리를 두께를 낮춰 액정 TV의 전체적인 두께를 낮추려고 하는 목적이 크다. 그렇다면 처음부터 얇은 유리를 사용하면 되는 것이지 굳이 두꺼운 유리를 불산으로 슬리밍하여 얇게 만드는 이유가 무엇일까?

그것은 얇은 유리를 만들기도 어렵고, 행여나 얇은 유리를 만들어 한국으로 배송할때 TV용 판유리가 파손될수가 있기 때문에, 일본에서 두꺼운 판유리를 만들고 한국으로 유리를 수출하여 액정TV 업체와 가까운 위치에 있는 회사에서 두꺼운 유리를 슬리밍하여 액정 TV 업체로 보내게 되면 유리 파손의 가능성이 낮아지게 된다.

슬리밍할때 쓰이는 불산의 경우는 순도가 그렇게 높지 않아도 되나 유리를 균일하게 식각을 하기 위해서라도 낮은 순도의 불산을 사용할수는 없다.

최근 이슈가 되고 있는 고순도 불산의 경우는 3D NAND의 Hole을 가공할때 사용이 된다. 몇년전까지만 하더라도 2D NAND가 많이 사용이 되었는데 집적도를 높이기 위해서는 미세 패턴을 만드는 기술적인 한계가 있어 한정된 면적에서 밀도 있게 만들기 보다는 아파트 처럼 위로 쌓아올리면 고 집적의 NAND를 만들수 있게 되어 48층, 96층, 128층등으로 쌓아올리게 되는데 이때 층과 층사이의 전기적 연결을 위해 홀을 뚫고 홀내 전도성을 부여하는 코팅을 하게 되는데 뚫린 홀은 이른바 Aspect Ratio가 매우 커야 한다.

Aspect Ratio = 홀의 길이 / 홀의 사이즈를 의미하는데 홀의 길이 길수록, 홀의 사이즈가 작을수록 Aspect Ratio가 커진다고 할수 있는데 고순도 불산으로 에칭을 해야 High Aspect Ratio의 홀 가공이 가능하다.

만약 불산에 불순물이 섞혀 있다면 홀을 식각하는 과정에서 불순물이 불산 성분이 홀내 SiO2를 식각하는 것을 방해하기 때문에 자칫 잘못하면 홀이 항아리 처럼 보이는 Overhang이란 문제도 발생이 되며 식각이 시작되는 부위와 식각이 끝나는 부위의 홀사이즈가 달라져 NAND의 전기적 특성에 왜곡이 발생이 되게 된다.

향후 지속적으로 NAND의 고용량화는 필수적이므로 현재 256층 개발도 하고 있지만 512층이나 1024층의 NAND도 지속적으로 개발이 되어야 하기에 핵심 부자재인 고순도 불산의 쓰임새는 점차 높아질것으로 보여진다.

삼성의 32층 V NAND의 단면도

 

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