최근 반도체에 대한 글로벌 수요는 자율주행, 인공지능(AI), 데이터센터, 모바일, 사물인터넷(IoT) 등 다양한 산업의 급성장에 따라 증가하고 있다. 이러한 산업들은 2030년까지 연평균 4.12%에서 32.6%의 성장률을 기록할 것으로 예상된다. 그러나 반도체 수요와 생산량의 증가는 환경적으로 상당한 도전적 과제를 초래하며, 지속가능한 반도체 공정에 대한 의문을 제기하고 있다. 반도체 제조공정은 에너지·물·소모품의 사용 증가가 수반되며, 이는 장기적인 지속가능성에 대한 문제를 제기하고 환경 보호, 기후변화 완화, 지속가능한 발전과 관련된 주요 과제를 제시한다.
이러한 관점에서 여러 반도체 제조업체들은 <표1>과 같이 다양한 지속가능성 목표를 설정했다. 삼성전자, SK하이닉스, TSMC, 인텔(Intel), 마이크론, 글로벌 파운드리 등은 각자의 기준선과 비교하여 단위당 10%에서 75%까지의 온실가스 배출량 감축을 목표로 하고 있다. 이는 제로 폐기물 매립 실천 및 순환경제 전략 구현을 목표로 한 산업계 전반의 움직임이다.

CMP 공정에서 주요 소재는 슬러리와 패드다. 이는 CMP 소재 시장에서 가장 큰 비중을 차지하며, 2022년 기준으로 전체 CMP 공정용 소재의 88%, 총 34억 9,800만 달러의 시장규모를 나타냈다. 반면, 컨디셔너, 세정제, 폴리비닐아세탈(PVA) 브러시와 같은 다른 소모품은 6%, 4%, 2%의 시장 점유율을 차지하며, 각각 2억 5,400만 달러, 1억 6,500만 달러, 7,100만 달러에 해당했다.
<그림1>과 같이 CMP 소재 제조는 상당한 양의 물, 자원, 에너지를 필요로 하며, 이 과정에서 다양한 배출물이 생성된다. 결과적으로 <표2>와 같이 온실가스 배출, 부영양화, 생태독성, 자원고갈, 산성화 및 물 고갈과 같은 잠재적 환경 위험성 문제를 내포한다.

실례로 CMP 슬러리 생산에는 환경적으로 영향을 끼치는 여러 단계가 포함되어 있다. 일반적으로 연마제, 화학 첨가제, 초고순도 물로 구성된 CMP 슬러리 소재는 제조과정에서 열처리, 볼 밀링, 세척 등의 단계를 거치고, 각 단계는 온실가스 주 배출원, 폐수, 부영양화, 자원고갈의 원인으로 작용한다.
특히 연마제 중, 세리아 입자의 열처리는 약 800°C에서 이루어지며, 1kg당 약 3.3 kWh의 에너지를 소비하고 1kg당 약 2.34kg의 이산화탄소를 배출한다. 세리아 입자 합성 원료에 따라서도 환경 영향성이 상이한데, 세슘 탄산염, 세슘 질산염, 세슘 인산염과 같은 전구체를 사용하는 경우 각각 이산화탄소, 질소 화합물, 인 화합물이 방출되므로 기후변화, 조류 번식, 수생 독성 등의 다양한 환경 문제를 야기할 수 있다. 또한, 합성 과정에서 발생하는 다량의 질산이온과 세척 과정 중 발생하는 많은 양의 폐수 이슈는 극복해야 할 난제다.
CMP 패드는 일반적으로 폴리우레탄 수지·필러·첨가제 등으로 만들어지며, 이들의 제조 공정에는 혼합, 주조, 경화 및 후경화 단계가 수반된다. 이 과정은 온실가스 배출뿐만 아니라 화학물질 노출로 인한 잠재적인 건강 위험을 초래할 수 있다. 예를 들어, 일부 패드 제조에 사용되는 폴리에테르 기반 액상 우레탄, 경화제로 사용되는 MOCA(methylenebis), 발포제로 사용되는 염화비닐리덴(VDC)은 염소 성분을 포함해 환경과 건강에 심각한 위험을 초래하므로 정부에 의해 엄격히 규제되고 있다.

CMP 공정에서 사용되는 소재와 관련 표준은 슬러리, 패드, 브러시 등 소모품의 성능과 품질을 보장하기 위해 제정되었다. 관련된 주요 표준은 국제반도체장비재료협회(SEMI)에서 제시하는 항목들이 실질적인 국제표준을 대변하고 있다. 반도체 관련 SEMI 프로세스는 안전·재료·패키징·보안성 등의 주제를 포함한 1,000개 이상의 업계 승인 표준을 제공하고 있다.
그러나, 지속가능한 친환경 CMP 공정을 위한 표준화 제정은 아직 시작단계로, 최근 생애주기평가(LCA) 방법론을 기반으로한 친환경 지침이 마련되는 상황이다. 고부가가치의 기술력 확보와 동시에 환경안전 관련 경쟁력을 선제적으로 점유하기 위해서는 정부. 산업계, 학계의 노력이 필요할 것으로 전망된다. SEMI에서 제공하는 CMP 소재 관련 표준번호와 표준명은 <표 3>과 같다.

반도체 제조과정에서 CMP 공정은 1980년대 도입된 비교적 짧은 역사를 가진 단위 공정임에도 최근 초미세화되는 반도체의 초점심도를 정밀하게 구현하고, 3D 아키텍처의 다양한 소자를 제조하는 과정에서 그 중요성이 점차 커지는 추세다. 그러나 타공정 대비, 공정용 소재 및 소모품의 사용이 많이 발생하는 특징을 가지고 있어 지속가능한 반도체 제조과정에서의 문제점이 대두되고 있다. 이에 CMP 기술의 친환경 전환은 ESG경영 실천에서 필수적인 요소로 자리잡고 있으며, 화학물질 사용의 최소화, 폐기물 관리의 개선, 에너지 효율의 극대화 같은 다각적인 접근이 요구된다.
이러한 노력은 초기 투자 비용과 기술적인 도전이 따를 수 있지만, 장기적으로 비용 절감, 공정 효율성 향상, 그리고 기업의 환경적 책임 강화라는 이점을 제공할 수 있다. 또한 기술력 측면에서 해외 선두업체에 비해 다소 뒤처져 있는 상황임에도, 친환경적인 CMP 연구 접근법은 그동안의 기술 격차를 뛰어넘을 수 있는 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 판단된다. 이 새로운 패러다임은 단순히 기술적 도약을 넘어서, 환경적 책임과 지속가능성을 동시에 달성하는 혁신적인 접근법이 될 것이다.
친환경 반도체 CMP 기술개발은 산업계, 학계, 그리고 정부의 총체적 협력 없이는 이루어질 수 없다. 연구개발, 정책 지원, 그리고 산업 표준의 개선이 맞물려야만 CMP 기술의 친환경화가 성공적으로 이루어질 수 있다. 끊임없는 혁신과 협력을 통해 반도체 CMP 공정의 지속가능성을 높이고, 환경적 책임을 다하는 방향으로 나아갈 수 있기를 기대한다.

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