불화 수소가 뭐길래

2019년 여름, 일본 정부가 한국을 상대로 단행한 반도체 핵심 소재 수출 규제 조치는 한국 경제의 멱살을 쥐고 흔든 엄청난 사건이었다. 당시 뉴스에서 매일같이 가장 중요하게 오르내렸던 이름이 바로 '초고순도 불화 수소(Hydrogen Fluoride, 에칭가스)'다. 일반인들에게는 구미 불산 가스 누출 사고 같은 끔찍한 인명 피해를 일으키는 맹독성 가스로만 알려져 있던 이 위험한 화학 물질이, 어떻게 최첨단 IT 산업의 쌀이라 불리는 반도체 제조에 없어서는 안 될 절대 반지가 된 것일까? 불화 수소는 유리와 뼈마저 흔적 없이 녹여버리는 끔찍한 부식성을 가지고 있지만, 모순적이게도 나노미터(10억 분의 1미터) 단위의 초정밀 반도체 회로를 다듬는 데는 세상 그 어떤 물질보다 섬세한 조각칼로 쓰인다. 순도 99.9999999999%(트웰브 나인, 12N)라는 극한의 순도를 요구하는 마법의 독약, 불화 수소의 서늘한 화학적 원리와 반도체 공정에서의 대체 불가한 활약상을 들여다보자.

유리를 녹이는 악마의 산성 물질

불화 수소(HF)는 수소(H) 원자 하나와 플루오린(F, 불소) 원자 하나가 결합한 아주 작고 단순한 분자다. 플루오린은 주기율표에서 전자를 끌어당기는 힘(전기 음성도)이 가장 강한 원소 끝판왕이다. 화학 반응성이 너무나 맹렬해서, 다른 물질과 닿기만 하면 전자를 강제로 빼앗아버리며 닥치는 대로 결합을 부숴버린다. 불화 수소가 물에 녹은 수용액을 '불산(Hydrofluoric acid)'이라고 하는데, 이 불산은 황산이나 염산 같은 다른 강산성 물질들조차 녹이지 못하는 단단한 유리를 찰흙처럼 녹여버릴 수 있는 유일한 물질이다. 유리의 주성분인 이산화규소(SiO2)와 불화 수소가 만나면 강력한 화학 반응을 일으켜 물과 플루오린화규소 가스로 변해 공기 중으로 날아가 버리기 때문이다. 이 때문에 불산은 유리병에 보관할 수 없고 특수한 플라스틱(테플론) 용기에만 담을 수 있다. 인간의 피부에 닿으면 피부 겉면을 뚫고 들어가 뼛속의 칼슘과 맹렬하게 결합해 뼈를 녹여버리고 심장 마비를 일으키는 치명적인 맹독이다.

반도체를 깎는 가장 섬세한 조각칼, 에칭(Etching)

역설적이게도 이 무시무시한 파괴력이 반도체 공정에서는 가장 섬세한 조각칼로 둔갑한다. 반도체의 기본 판인 실리콘 웨이퍼 위에는 빛을 이용해 아주 미세한 회로 밑그림(포토 공정)을 그린다. 그다음 불필요한 부분을 깎아내어 진짜 회로의 길을 파내야 하는데, 이 과정을 '식각(Etching)'이라고 한다. 웨이퍼의 주성분 역시 유리와 같은 실리콘(규소) 화합물이다. 회로의 선폭이 머리카락 굵기의 수만 분의 1인 나노 단위로 작아지면서, 기계적인 톱질은 불가능해졌고 오직 화학 물질만이 이 좁은 틈새를 파고들어 깎아낼 수 있다. 웨이퍼 위에 불화 수소 가스(에칭 가스)를 뿌리거나 액체 불산에 담그면, 밑그림이 덮이지 않은 실리콘 산화막 부분만 불화 수소가 맹렬하게 갉아먹으며 깎아낸다. 불화 수소는 깎아내야 할 물질(산화막)은 기가 막히게 잘 녹이면서도, 보호해야 할 물질(실리콘 밑바탕이나 감광액)은 건드리지 않는 완벽한 '선택비(Selectivity)'를 가지고 있다. 반도체 회로를 깎는 데 이보다 더 빠르고 정확하고 가성비 좋은 물질은 지구상에 존재하지 않는다.

트웰브 나인(12N)의 광기, 순도의 마법

그렇다면 왜 일본이 수출을 막았을 때 한국의 대기업들이 그토록 발을 동동 굴렀을까? 불화 수소 자체는 형석이라는 광물에서 쉽게 뽑아낼 수 있어 세계 어디서나 만들 수 있다. 진짜 문제는 '순도(Purity)'였다. 최첨단 메모리 반도체 공정에 쓰이는 불화 수소는 불순물이 1조 분의 1(ppt)밖에 들어있지 않은 '99.9999999999%(9가 12개, 12N)'의 극한의 순도를 요구한다. 나노 단위의 미세한 반도체 회로에는 눈에 보이지 않는 금속 이온이나 먼지 입자 하나만 섞여 들어가도 전기가 엉뚱한 곳으로 튀어 웨이퍼 수백 장을 통째로 폐기해야 하는 불량품이 발생하기 때문이다. 독성이 워낙 강해 플라스틱 용기를 갉아먹거나 파이프라인의 쇳가루를 녹여내어 스스로를 오염시키기 일쑤다. 일본의 스텔라케미파나 모리타화학 같은 기업들은 100년 가까운 장인 정신과 특수 정제 기술로 이 미세한 불순물을 걸러내는 독보적인 노하우를 장악하고 있었다. 아무리 삼성이나 SK가 돈이 많아도 하루아침에 이 12N의 순도를 복제해 내는 것은 불가능에 가까운 도전이었다.

위기를 기회로, 소재 국산화의 성과

일본의 수출 통제는 한국 반도체 산업에 엄청난 충격 요법이 되었다. 그동안 값싸고 품질 좋은 일본산 소재에만 의존하며 화학 소재 기초 연구를 등한시했던 약점이 뼈아프게 드러난 것이다. 하지만 반도체 공장이 멈출 위기에 처하자, 한국의 화학 소재 기업(솔브레인, SK머티리얼즈 등)과 정부, 대기업이 필사적으로 뭉쳐 연구개발에 돌입했다.