[Report] PFAS 규제 대응을 위한 반도체용 플루오르계 용매의 대체제 개발 전략

1. 서론: PFAS 규제의 강화와 반도체 산업의 도전

최근 전 세계적으로 PFAS(과불화화합물) 물질에 대한 규제가 급격히 강화됨에 따라, 이를 주로 사용해온 반도체 산업 전반에 큰 변화가 요구되고 있습니다. PFAS는 내열성, 내화학성, 저마찰 특성 등 우수한 물성을 바탕으로 포토레지스트, 식각 공정, 세정제, 박막 증착 공정 등 다양한 반도체 제조 공정에서 광범위하게 활용되어 왔습니다. 특히 플루오르계 용매(fluorinated solvents)는 고순도 공정에서 핵심 역할을 하고 있으며, 불소계 화합물의 독특한 화학적 안정성과 비극성 특성은 기존 공정을 대체할 수 없는 수준의 정밀도와 안정성을 보장해왔습니다.

그러나 PFAS가 환경과 인체 건강에 미치는 악영향이 과학적으로 규명되면서, 유럽연합(EU)의 REACH 규제, 미국의 EPA 대응 등 글로벌 차원의 법제화가 빠르게 진행 중입니다. 이에 따라 반도체 기업 및 소재 공급업체들은 PFAS 계열 플루오르 용매의 대체제를 개발하고 상용화하는 데에 사활을 걸고 있으며, 기술적, 경제적, 규제적 측면에서 다차원적인 해결책이 요구되고 있습니다.

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2. 플루오르계 용매의 기능과 사용 영역

반도체 공정에서 사용되는 플루오르계 용매는 다음과 같은 특성을 기반으로 공정 핵심소재로 활용되어 왔습니다.
• 높은 내화학성 및 비반응성: 강한 산 또는 플라즈마 환경에서도 안정적인 상태 유지
• 우수한 세정력: 미세입자 및 오염물 제거에 효과적
• 낮은 표면장력 및 점도: 복잡한 구조 내부로의 침투 및 균일한 도포 가능
• 비전도성 및 비가연성: 고전압 또는 고온 환경에서도 안정성 확보
• 빠른 휘발성: 건조 공정에서 잔류물 최소화 가능

특히, 포토레지스트 제거(Removal), 식각 공정(Etching), 세정(Cleaning), 증착 전 표면 준비 과정 등에서 대표적으로 사용되는 물질로는 HFE(Hydrofluoroether), PFC(Perfluorocarbon), PFPE(Perfluoropolyether) 기반 용매가 있습니다.

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3. PFAS 규제에 따른 대체제 개발의 필요성과 방향성

PFAS 규제는 단순한 제한을 넘어 장기적으로 전면 금지를 목표로 하고 있습니다. 이에 따라 반도체 공정용 플루오르계 용매는 다음과 같은 방향으로 대체제 개발이 요구됩니다.
• 비PFAS계(Non-PFAS) 화합물 기반 소재 개발
• 생분해성 및 환경저해물질 저감 특성 확보
• 기존 공정과의 호환성 유지 (wet etch, clean, spin coating 등)
• 동등 이상의 화학적·물리적 성능 보장
• 공정 전환에 따른 장비/라인 수정 비용 최소화

기술적으로는 기능성 화합물의 구조 설계를 통해 기존 PFAS의 핵심 특성을 모사하거나, 전혀 다른 물리·화학적 메커니즘을 기반으로 한 용매군을 개발하는 것이 핵심 과제입니다.

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4. 대체제 후보 물질 및 기술 개발 동향

4-1. 친환경 에테르계 및 에스테르계 용매

에테르계, 에스테르계 용매는 비교적 낮은 독성과 빠른 휘발성을 특징으로 하며, 현재 PFAS-Free 솔루션으로서 여러 글로벌 소재 기업에서 주목하고 있습니다.
• 글리콜 에테르(Glycol Ethers): 세정 공정에서의 응용 가능성 검토 중
• 지방족 에스테르(Aliphatic Esters): 점도가 낮고 표면장력이 적당하여 spin coating 공정에 적합
• 디메틸카보네이트(DMC): 생분해성과 공정 안정성이 높아 PFAS 대체용으로 R&D 확대 중

4-2. CO₂ 기반 초临계 유체 기술

CO₂의 초临계 상태에서는 용해성, 확산성, 비극성 등의 특성이 강화되어 반도체 세정 및 잔류물 제거에 적용이 가능합니다. 이는 완전한 PFAS-Free 대안으로 각광받고 있으며, 환경에 미치는 영향도 낮은 것이 장점입니다.

4-3. 바이오 기반 용매

천연 유래 물질로부터 합성한 세정제나 솔벤트는 생분해성이 뛰어나고 지속가능성 관점에서 우수하나, 아직까지 반도체 공정의 고순도 요구 수준에는 도달하지 못하고 있어 고도 정제 및 안정화 기술이 필요합니다.

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5. 글로벌 주요 기업의 대응 사례
• 인텔(Intel): 공정 친환경화를 위해 PFAS-Free 공정으로의 전환 로드맵을 발표하고, 다수의 소재 공급사와 공동 개발 프로젝트 진행
• 삼성전자 / SK하이닉스: 용매 및 세정제를 포함한 공정 화학물질에 대해 전수조사를 시행하고, 비PFAS 계열 시제품의 평가 시스템 운영
• 듀폰(DuPont), 쇼와덴코(Showa Denko): 불소계 용매의 대체를 위한 고성능 폴리에테르계 및 폴리에스테르계 화합물 개발
• 머크(Merck), 엔켐(Enchem): 반도체 세정 및 PR 제거 공정용 대체 솔벤트군 출시 및 적용 검증 수행 중

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6. 대체제 개발 시 고려해야 할 과제
• 기존 장비와의 호환성 문제: 용매의 점도, 휘발성, 표면장력 변화에 따른 공정 안정성 확보
• 공정 안정성 검증: 장기 누적 영향 및 미세 결함 발생 가능성 평가 필요
• 고비용의 기술 검증 및 인증 프로세스: 고객사 품질 승인에 소요되는 시간과 자원 부담
• 공급망 내 대응 격차: 2차, 3차 공급사에서 PFAS 성분 관리 미흡 시 전체 공정 리스크 발생 가능

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7. 정책·제도적 측면의 대응 방안
• PFAS-Free 인증 표준화 및 트래킹 체계 개발
• 정부 및 산학연 연계 R&D 지원 프로그램 활용
• 공정 전환에 따른 세액 공제 및 설비 개조 지원 제도 활용
• EU REACH 및 SCIP Database 연계 대응 체계 구축

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8. 결론 및 제언

PFAS 계열 플루오르 용매는 반도체 산업의 정밀 공정에서 핵심적인 역할을 해왔지만, 지속가능성과 환경 안전성 확보라는 시대적 요구 앞에서는 대체 불가의 시대는 끝나가고 있습니다. PFAS-Free 플루오르 용매 대체제의 개발은 단순히 규제 대응이 아닌, 향후 반도체 산업의 경쟁력을 좌우할 핵심 기술로 자리잡고 있으며, 조기 기술 확보 및 상용화 전략 수립이 필수적입니다.

따라서 반도체 기업은 다음과 같은 방향으로 전략을 설계해야 합니다:
• 기술 다각화 및 대체소재 포트폴리오 확보
• 고객사와의 공동 개발 및 품질 승인 프로세스 조기 착수
• 국내외 규제 동향에 대한 실시간 정보 체계 구축
• 공정 안전성 확보와 ESG 연계 전략 통합 운영

PFAS 규제는 산업의 리스크이자 동시에 전환의 기회입니다. 대체제 기술 개발에 있어 선제적인 대응을 통해 반도체 제조의 지속가능한 미래를 만들어나가야 할 때입니다.