반도체 공정에 쓰이는 초고성능 필터

눈에 보이지 않는 세계를 통제하는 필터의 힘

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1. 1nm 시대, 공기조차 불순물로 간주하는 반도체 산업

스마트폰, 전기차, AI 반도체까지. 반도체는 오늘날 산업의 ‘심장’이라 불린다. 하지만 그 심장은 먼지 한 알에도 멈출 수 있다는 사실을 아는 사람은 많지 않다. 반도체 공정에서는 1나노미터(1nm) 단위의 정밀한 패턴이 반복적으로 새겨지며, 이 과정에 오염이 섞이면 불량률이 기하급수적으로 올라간다. 일반 공장에서는 문제가 되지 않는 공기 중 먼지, 수분, 금속 이온, 유기화합물조차 반도체 라인에서는 ‘오염원’으로 간주한다. 이를 막기 위해 반도체 공정에는 다양한 초고성능 필터 시스템이 도입되어 있으며, 이 기술력은 일반적인 공기청정기나 정수기 필터와는 비교도 되지 않을 정도로 정밀하고 복잡하다. 반도체가 정밀기계의 끝판왕이라면, 그 옆에는 그 정밀함을 뒷받침하는 ‘보이지 않는 필터’가 있다.

 

2. 반도체 공정, 어디에 어떤 필터가 들어가는가?

반도체 제조는 실리콘 웨이퍼 위에 회로를 새기는 석판인쇄, 화학 기체를 이용한 식각(Etching), 증착(Deposition), 세정(Cleaning) 등의 수십 개 단계로 이뤄져 있다. 공정마다 사용하는 장비와 환경이 다르며, 그에 따라 필터도 다르게 설계된다. 대표적으로 ‘ULPA 필터(Ultra-Low Penetration Air Filter)’는 클린룸의 공기를 정화하는 데 쓰이며, 0.1마이크로미터 이하의 입자를 99.9995% 이상 제거할 수 있는 초정밀 필터다. 또한 화학물질이 사용되는 공정에는 Chemical Filter나 Gas Scrubber 용 필터가 투입되며, 이들은 산성 가스, 암모니아, 유기용매 증기 등을 제거하는 역할을 한다. 장비 내부에는 DI Water Filter(초순수 정수 필터), Point-of-Use 필터 등 국소 오염을 막기 위한 필터가 다수 탑재되어 있으며, 심지어 반도체 웨이퍼를 세정하는 물 한 방울에도 수십 단계를 거친 정제 필터가 적용된다. 즉, 반도체 한 장을 완성하기 위해 수백 개의 필터가 각기 다른 기능으로 작동하는 셈이다.

최근에는 이러한 필터들의 성능을 실시간으로 모니터링하는 IoT 기반의 스마트 필터 기술도 접목되고 있다. 센서가 오염도나 교체 시점을 자동으로 인식해 경고를 보내주며, 공정 이상을 사전에 감지하는 조기 진단 기능도 제공한다. 이는 불량률 감소와 수율 향상에 직접적인 기여를 하며, 필터 자체가 단순한 소모품이 아니라 공정 품질을 좌우하는 핵심 모듈로 진화하고 있음을 보여준다.

3. 고순도, 고내열, 고 내화학성: 반도체용 필터의 3요소

반도체 공정에 쓰이는 필터는 단순히 '걸러주는 역할'을 넘어서야 한다.

첫째, 필터 자체에서 오염물이 나와서는 안 된다. 이를 위해 PTFE(테플론), PFA, PVDF 등의 고순도 플라스틱 소재가 주로 사용되며, 이들은 금속 이온 용출이 거의 없어 반도체 등급에 적합하다.

둘째, 공정 조건상 높은 온도(100도 이상)와 고압 환경을 견뎌야 하므로, 필터는 뛰어난 내열성과 내화학성을 갖춰야 한다. 셋째, 필터는 정전기나 마찰로 인한 미세 파편조차 발생하지 않도록 정전기 방지 설계와 비 마모 구조가 적용된다.

일부 고급 공정에서는 전자빔이나 플라스마 처리까지 견디는 필터 소재가 요구되며, 이는 항공우주 등급 기술이 그대로 반도체 장비에 적용된 사례로 볼 수 있다. 이런 조건들을 만족시키기 위해 필터 제조사들은 연구개발(R&D)과 품질관리(QA)에 막대한 투자를 하며, 제품 하나가 실제 적용되기까지 수년의 테스트 과정을 거친다.

 

4. 초고성능 필터, 반도체 산업의 조용한 승부처

반도체 제조 경쟁은 단순히 회로 설계나 미세공정 기술만의 싸움이 아니다. 동일한 장비, 동일한 공정 조건에서 누가 더 높은 수율(정상 제품 비율)을 확보하는지가 승부처다. 그리고 그 격차는 의외로 필터 하나에서 시작될 수 있다. 최근 반도체 장비 고장은 대부분 필터 오작동이나 오염 누적으로 인한 경우가 많으며, 이를 미리 방지한 업체는 안정적인 생산 능력을 갖추게 된다. 초미세 공정에서는 미량의 입자 차이만으로도 제품 성능이 달라지고, 수율 하락은 수백억 원 손실로 이어진다. 필터 교체 주기 예측, 오염 물질 실시간 감지 시스템, AI 기반 필터 수명 분석 등 새로운 기술도 등장하고 있으며, 이제는 필터 관리도 반도체 공정의 핵심 관리 포인트로 떠오르고 있다. 이처럼 ‘보이지 않는 부품’인 필터가, 세계 반도체 패권 경쟁의 실질적인 변수로 작용하고 있는 현실은 우리가 이 산업을 얼마나 섬세하게 들여다봐야 하는지를 말해준다.

 

5. 반도체 필터 기술, ESG 시대의 핵심 경쟁력으로 부상하다

최근 반도체 산업에서 ESG(Environmental, Social, Governance) 경영이 핵심 화두로 떠오르면서, 초고성능 필터도 ‘환경’과 ‘책임’을 고려한 기술로 진화하고 있다. 전통적인 필터는 수명이 끝나면 전량 폐기되는 구조였지만, 이제는 재생이 가능한 소재나 분해·재활용이 쉬운 구조의 필터가 주목받고 있다. 특히 화학적 흡착 후 발생하는 폐기물의 양을 최소화하거나, 필터 교체 주기를 자동으로 예측해 자원 낭비를 줄이는 시스템이 개발되고 있다. 또한 일부 선도 기업은 생산 공정에 사용하는 필터조차 탄소중립 기준을 적용하여 제품 인증을 받고 있으며, 반도체를 구매하는 글로벌 고객사들도 공급망 전반에 걸쳐 ‘친환경성’을 요구하고 있다. 이런 흐름 속에서 초고성능 필터는 단순한 품질 도구가 아닌, 지속 가능한 반도체 생태계를 위한 핵심 구성요소로 자리매김하는 중이다. 결국 필터 기술은 공정의 품질을 넘어서, 기업의 철학과 지속 가능성까지 담는 또 하나의 전략 자산이 되고 있다.있다.