반도체 공장이 물을 그렇게 많이 쓰는 이유 – 일반인을 위한 공정 기반 설명

반도체 공장은 일반 제조업 대비 수십에서 수백 배 이상의 물을 사용한다.
이는 단순한 세척이 아니라, 미세패턴을 만드는 과정에서 한 분자의 불순물도 결함(Defect)으로 이어지는 초정밀 공정 특성 때문이다.

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UPW는 원수 전처리, RO, EDI, UV, UF 단계를 거쳐 초순도 물로 정제되며 반도체 세정 공정의 핵심 원료가 된다.

1. 반도체 공정은 ‘물 없이 진행 불가’한 구조다

사람들이 흔히 생각하는 반도체 공장은
빛을 쏘고, 식각을 하고, 금속을 입히는 첨단 장비들만 떠올린다.
하지만 실제로는 웨이퍼 전체 공정의 절반 이상이 세정(Cleaning) 단계다.

웨이퍼 세정은

• 이온
• 금속
• 유기물
• 미립자
• 잔류 케미칼
  을 완전히 제거하기 위해 반드시 필요하다.

이때 사용되는 것이 바로 UPW(Ultra Pure Water)다.

일반 정수와 비교하면 다음과 같다.

항목	수돗물	정수기물	UPW
저항률	2천 Ω·cm	수십 kΩ·cm	18.2 MΩ·cm
금속이온	수십 ppb	수 ppb	수 ppt 이하
박테리아	존재	감소	거의 없음
TOC	수천 ppb	수백 ppb	1 ppb 이하

즉, UPW는 단순히 “깨끗한 물”이 아니라 정제 화학물질 수준의 원료다.

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2. 반도체 공정은 단계마다 물 세척이 반복된다

공정 단계별 세정 반복 구조

반도체는 500~1000단계 이상의 공정을 거치는데
대부분의 핵심 단계에서 세정 → 건조 → 공정 → 다시 세정이 반복된다.

대표 공정을 살펴보면 다음과 같다.

2.1 포토(Photo) 공정

광감성 물질인 PR(Photoresist)을 바르고, 노광하고, 현상하는 과정이다.
이 과정에서

• 잔류 PR
• 노광 부산물
• Developer 잔류
  를 제거하기 위해 항상 DIW 세정이 필요하다.

2.2 식각(Etching) 공정

웨이퍼 표면을 부분적으로 깎는 단계다.
식각 후에는

• 식각 부산물
• 잔류 이온
  을 완전히 제거해야 공정이 다음 단계로 넘어갈 수 있다.

2.3 CMP(연마) 공정

웨이퍼 표면을 평탄화하는 CMP 공정은
고체 입자(Slurry)가 지속적으로 표면에 남기 때문에
세정 단계 비중이 특히 크다.

Slurry 제거에는 고순도 UPW가 필수다.

2.4 금속 증착·확산 공정

금속 표면에 불순물이 있으면 전기적 특성 자체가 무너진다.
따라서 금속 증착 전후로 반드시 DI Water 기반의 Wet Cleaning이 들어간다.

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3. “한 방울”의 오염도 결함(Defect)로 이어진다

웨이퍼 한 장에는 수백에서 수천 개의 칩이 있다.
그중 단 1개의 먼지라도

• 회로 단락
• 미세 패턴 실패
• 감광 레이어 손상
  같은 문제를 일으킬 수 있다.

특히 10 nm 이하 공정에서는
물 속 금속이온 한 알갱이 수준(ppq 단위)도 치명적이다.

이 때문에 반도체 공장은
모든 공정에서

• 세정
• 헹굼
• 공정 중간의 flush
• 마지막 치환
  까지 물이 엄청나게 사용된다.

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4. 세정 공정에는 ‘순환 UPW’가 지속적으로 소모된다

UPW는 한 번 사용하면 재사용하지 않는다.
세정에 쓰고 흘려보내고 새로운 물을 만들어 넣는다.

그 이유:

1. 재순환하면 오염 확률 증가
2. 입자/금속/유기물이 공정 품질에 직접 영향
3. 배관·탱크 구조의 Dead Leg에 오염축적 가능

즉, UPW는 100% 일회성 사용 구조다.

이게 물 사용량 폭증의 핵심 요인이다.

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5. 반도체 공장은 UPW를 만들기 위해 더 많은 원수를 사용한다

중요한 사실 하나.
UPW 1 L을 만들기 위해 실제 원수는 2~3 L 이상 필요하다.

왜냐하면 UPW는

• RO
• EDI
• UV
• UF
  등 다단 정제를 거치기 때문이다.

정제 과정 동안

• 배출수
• 농축수
• CIP 세척수
  등이 발생하며
  이 과정에서 물이 추가로 소비된다.

즉, 반도체 공장의 “물 사용량”에는
세정에 쓰는 물 + UPW 제조에 소모되는 물 모두 포함된다.

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6. 공장 전체 냉각에도 물이 들어간다

FAB는 열을 엄청나게 발생시키기 때문에

• 칠러
• 냉각탑
• HVAC
• Diffusion Furnace 냉각
  등에서 물이 또 쓰인다.

냉각용 물은 UPW만큼 순도가 필요하진 않지만
정수/순수 등 여러 수처리 단계를 거친다.

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7. 결론 – 반도체 공장은 ‘공정용 + 정제용 + 냉각용’ 때문에 물 대소비처이다

정리하자면 반도체 공장이 물을 많이 쓰는 이유는 다음과 같다.

1. 세정 공정이 공정 절반 이상 차지
2. 오염 한 알갱이도 Defect가 되므로 ‘완전 세정’ 필요
3. UPW 자체 제조에 많은 물 소모
4. UPW는 일회성 사용 구조
5. CMP·식각·포토 등 중간 공정마다 세정 반복
6. 냉각·HVAC에도 물 사용
7. 미세 공정일수록 UPW 사용량이 더 증가

즉, 이것은
반도체 특성상 필연적으로 발생하는 물 소비 구조다.

 

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