혼합물에서 특정성분을 추출하여 분리하는 능력이 뛰어나 식품분야에서 응용되는 초임계유체(Supercritical Fluid)가, 최근에는 반도체 웨이퍼의 불순물을 제거하는 차세대 세정물질로 관심을 모으고 있다. 

실리콘 웨이퍼 상에 집적 회로를 형성하기 위해서는 수백 개의 분리된 공정 단계가 필요하다. 이들 공정단계 중 30-40%가 세정공정, 즉 웨이퍼에 존재하는 불순물을 제거하는 공정이다. 

액체상태의 세정물질은 밀도가 높아 불순물과 잘 반응하여 쉽게 제거할 수 있는 반면에, 액체의 표면장력에 의한 문제점이 있다. 또한, 기체는 확산속도가 빠르고 표면장력의 문제는 없으나, 밀도가 낮아 불순물의 용해능력이 현저히 떨어진다.

그런데 기체의 장점인 빠른 확산속도와 낮은 표면장력 및 액체의 장점인 용해능력을 결합한 초임계유체가 반도체 웨이퍼 제작의 세정공정에 활용되고 있다.

초임계유체(超臨界流體)란, 고온과 고압의 한계(임계온도와 임계압력)를 넘어선 상태에 도달하여 액체와 기체를 구분할 수 없는 시점의 유체를 가리킨다. 이러한 유체는 기체처럼 형태는 없지만 액체와 동일한 비중과 밀도를 지니며, 점도는 기체와 같이 낮은 물성을 갖고 있다. 

즉, 액체와 기체의 장점을 모두 보유하고 있어 액체와 같이 불순물을 쉽게 용해시킬 수 있으며, 또한 기체와 같이 미세한 패턴의 내부공간까지 완벽하게 도달하여 잔류물과 오염물을 제거할 수 있다. 따라서 에칭공정이 완료된 반도체 웨이퍼에 초임계유체를 공급하면 각종 오염물질이 신속하게 기판으로부터 제거된다.

통상 초임계유체는 혼합 물질 내부에 함유되어 있는 단 하나만의 성분만을 정확히 추출하는데 매우 효과적이며, 커피에서 카페인을 제거하고 담배에서 니코틴을 제거하는 공정이 대표적인 사례이다.

초임계유체로는 이산화탄소(CO2)가 대부분 활용되고 있으며, 또한 압력을 대기압으로 하면 이산화탄소만이 기체로 분리되어 회수됨으로써 재사용이 가능하여 기존공정에 비해 생산단가뿐만 아니라 친환경적인 사용이 가능하다.

이산화탄소 초임계유체 세정기술을 이용하면 30nm 이하의 미세 패턴의 웨이퍼를 세정시에 잔류 산화물 및 유기물을 동시에 제거하고 전 공정에서 폐수를 배출하지 않는 매우 획기적인 기술인 것으로 알려져 있다.

초임계유체를 활용한 반도체 세정기술관련 특허출원은 2005년 9건, 2006년 10건, 2007년 10건, 그리고 2008년 6건으로 매년 꾸준히 출원되고 있으며, 우리나라 기업으로는 반도체 장비회사인 (주)세메스가 9건으로 활발한 특허출원을 보이고 있고 미국의 어드밴테스트 테크놀로지사가 8건으로 꾸준한 연구개발을 하고 있는 것으로 나타났다.

초임계유체의 세정이 여러 가지 장점이 있음에도 연구개발이 초기단계에 머물러 있는 이유는 초임계상태를 만들기 위해서는 고압(이산화탄소의 경우 72.9 기압)이 유지되어야 하는 단점이 있다.

그러나 반도체 메모리는 계속해서 미세화되어 가고 결국 기존 공정의 한계에 빠질 수 있기 때문에 초임계유체 세정은 그 대안이 될 수 있음이 제시되고 있다. 특히 초임계유체 세정은 기존 세정에 비해 에너지 사용 및 환경오염을 획기적으로 줄일 수 있는 기술로 친환경적인 녹색성장 기술의 하나가 될 수 있으므로 정부의 적극적인 지원이 필요하겠다.