산성 기체 오염은 반도체 공장에서 늘 어정쩡한 자리에 있습니다. 그것이 만드는 것은 눈에 보이는 입자 결함이 아니라 금속 배선 부식, 포토레지스트 T-top, 웨이퍼 표면 흐림, 도핑 농도 편차처럼 입자는 찾을 수 없는데 수율은 떨어지는 문제입니다. 측정 데이터가 방향을 가리킬 무렵이면 대개 몇 배치가 이미 지나가 버린 뒤입니다.
대처 방법으로는 거의 반사적으로 활성탄 케미컬 필터를 고릅니다. 틀린 것은 아니지만 두 여재를 같은 기류 구간에 달고 2년을 꽉 채워 돌린 뒤 뜯어 여재 분석을 해 보면 반직관적인 것을 보게 됩니다. 성패를 가르는 것은 얼마나 빨리 흡착하느냐가 아니라 흡착하지 않아도 될 것에 용량을 낭비했느냐인 경우가 많다는 것입니다.
AMC에는 임계 농도가 없고 선량만 있습니다
국제 소자·시스템 로드맵(IRDS) 2020년의 수율 향상 장에는 벽에 붙여 둘 만한 문장이 하나 있습니다. AMC는 어느 것도 확정적인 임계 오염 농도가 존재하지 않으며, 농도는 접촉 시간과 함께 봐야 하고 결국 고려해야 하는 것은 선량, 즉 농도 곱하기 시간이라는 것입니다(IRDS 2020 Yield Enhancement).
이 문장은 현장에서 아주 흔한 추론 하나를 뒤집습니다. "우리는 0.05 ppb로 쟀고 규격은 0.1 ppb이니 문제없다"는 것입니다. 이 결론은 접촉 시간도 가정 범위 안에 있을 때에만 성립합니다. 같은 포토마스크를 보관함에 사흘 두는 것과 석 달 두는 것은 같은 환경 농도에서도 전혀 다른 표면 오염량을 쌓습니다.
선량을 보기 때문에 필터의 값어치는 새것일 때 효율이 얼마나 높으냐가 아니라 교체 주기 전체에서 얼마나 많은 분자를 통과시켰느냐에 있습니다. 새것일 때 98%였다가 반년 만에 60%로 떨어지는 필터와, 줄곧 85%를 유지하며 3년을 버티는 필터는 누적 투과량이 한 자릿수 차이 날 수 있습니다. 그런데 뒤의 것이 사양서로는 더 볼품없어 보입니다.
케미컬 필터의 수명과 TCO를 카탈로그의 초기 효율이 아니라 투과 곡선으로 계산해야 하는 이유가 이것입니다.
산성 AMC는 어느 부류이고 어디서 오나
차트 2: AMC 네 가지 분류(SEMI F21 기준)
반도체 업계의 표준 분류이며 부류마다 공정을 망가뜨리는 방식이 전혀 다릅니다
| 부류 | 흔한 분자 | 공정에 미치는 주된 파괴 |
|---|---|---|
| 산류 (MA) | HCl, HF, H₂SO₄, NOx, SOx | 금속 배선 부식, 웨이퍼 표면 산화, 구리 배선 변색 |
| 염기류 (MB) | NH₃, Me₃N, NMP | 포토레지스트 T-top(심자외선 포토레지스트 표면 실효) |
| 응축물 (MC) | BHT, NMP, DOP(끓는점 >150°C) | 웨이퍼 표면 흐림(hazing), 경면 오염 |
| 도판트 (MD) | AsH₃, B₂H₆, BF₃, TEP | 반도체 도핑 농도 변화, 소자 특성 편차 |
농도는 ppt(조 분의 일) 단위로 등급을 매기며 MA-1은 1 ppt 등급, MA-10,000은 10,000 ppt를 뜻합니다. 등급이 낮을수록 요구가 엄격합니다.
분자 산은 AMC 네 부류 가운데 하나이며 이 분류는 ITRS가 2007년에 정식으로 로드맵에 넣어 지금까지 쓰이고 있습니다(세부는 SEMI F21의 네 가지 분류를 보십시오). IRDS는 뒤에 화학 족으로 다시 분류하자는 구상을 냈는데, 옛 분류가 업계 관용어에서 자라 나와 엄밀하지 않다는 이유였습니다. 예컨대 난용물(refractory)은 야금에서는 열과 마모에 강한 금속을 가리키지만 AMC에서는 광학 부품의 굴절률을 바꾸는 물질을 가리키는 말로 빌려 쓰입니다.
발생원 쪽으로는 IRDS가 정리한 목록을 한 번 통째로 볼 값어치가 있습니다. 클린룸 건축 자재의 아웃가스, 공정 장비, 이미 가공된 웨이퍼, 웨이퍼 캐리어와 환경 보관함, 배기 부족과 화학품의 누출 배출, 그리고 사람 자신입니다. 보충 급기(외기)도 중요한 발생원입니다. FOUP은 양쪽에서 손해를 보는데, 스스로도 아웃가스를 내고 식각 같은 공정에서 묻어 나온 AMC를 안에 가둬 두고 서서히 내놓기도 합니다.
산에 대해 자주 잊히는 분류가 하나 있습니다. 산 전구체입니다. 그 자체는 산이 아니지만 수분을 흡착한 뒤 표면에서 산이 됩니다.
| 전구체 | 표면에서 무슨 일이 일어나나 | 활성 정도 |
|---|---|---|
| 이산화황 SO₂ | 물을 만나 아황산이 되고 다시 산화되어 황산이 됨 | 가장 활발하고 반응이 빠르며 산성이 강함 |
| 이산화질소 NO₂ | 물을 만나 아질산과 질산이 됨 | 효율은 낮은 편이지만 계속 일어남 |
| PGMEA(에스터계 용제) | 가수분해로 PGME와 아세트산을 냄 | 잠복형이라 필터 내부에서 발현될 수 있음 |
반대로 황화수소와 질소산화물은 그 자체가 산이 아닙니다. 이것들을 총산량에 넣으면 판단의 초점이 흐려집니다. 정말 물어야 할 것은 이 공정, 이 장비가 두려워하는 것이 어느 산이냐이지 임핀저에서 음이온이 얼마나 검출되느냐가 아닙니다.
여재가 분자를 붙잡는 세 가지 메커니즘
차트 4: 케미컬 필터가 분자를 붙잡는 세 가지 메커니즘
활성탄 필터는 물리 흡착, 화학 흡착, 이온교환 세 가지 방식으로 AMC를 잠급니다
일반 활성탄은 물리 흡착이 주된 방식이지만 높은 습도에서는 흡착력이 떨어집니다. 산·염기성 AMC를 다루려면 함침 활성탄(KOH/K₂CO₃/H₃PO₄ 함유)으로 바꿔 화학 반응으로 영구히 잠급니다.
케미컬 필터가 분자를 잡는 길은 셋뿐입니다. 물리 흡착, 화학 흡착(함침 약제 반응), 이온교환입니다. 차이는 누가 더 강하냐가 아니라 선택성과 가역성에 있습니다.
물리 흡착은 공극과 반데르발스 힘에 기대 오는 것을 가리지 않습니다. 화학 흡착은 공극 벽에 함침한 약제에 기대며 선택성이 배합에 달려 있습니다(이 부분은 케미컬 필터 함침 배합 입문을 보십시오). 이온교환은 고분자 골격에 붙은 작용기에 기대며 반대 전하를 띤 이온과만 반응합니다.
활성탄의 세 가지 필연
활성탄은 미세공극 탄소재이고 원료가 대개 천연 유기물이나 석탄이라 그 자체가 깨끗하고 불활성인 흑연 구조가 아닙니다. 함침형은 약제를 공극에 실었을 뿐 공극은 여전히 공극입니다. 여기서 설계로 없앨 수 없는 부작용 셋이 나옵니다:
- ▸물리 흡착이 반드시 일어납니다 —— 휘발성 유기물과 에스터류가 반드시 빨려 들어와 용량을 차지합니다
- ▸표면에서 산화환원이 반드시 일어납니다 —— 질소산화물이 전환되어 저장됩니다
- ▸흡착이 가역적입니다 —— 강산이 들어오면 앞서 흡착한 약산을 밀어내며 pH가 내려갈 때 특히 뚜렷합니다
이 셋은 실험실에서는 두드러지지 않지만 현장에서 2년을 돌리면 모두 자라납니다. 품질 문제가 아니라 메커니즘 자체의 대가입니다.
이온교환 수지: 선택성을 재료 안에 넣기
이온교환 수지는 폴리스타이렌/다이바이닐벤젠의 다공성 고분자에 끝단으로 작용기를 붙인 것입니다. 산 제거형은 음이온 작용기를 붙입니다(시장에서 더 흔한 것은 사실 염기 제거용 양이온형으로 암모니아와 아민류를 다룹니다). 골격 자체가 깨끗하고 불활성이며 흡착 공극이 없습니다. 특성이 마침 활성탄의 거울상입니다. 에스터류와 VOC를 물리 흡착하지 않고 질소산화물을 저장하지 않으며 산은 화학 결합으로 붙어 환경 변화로 기류에 되돌아오지 않습니다.
이온교환 수지로 바꿨을 때 방호 목표별 성능의 이동
같은 목표 물질군이 두 여재에서 갖는 상대 성능(0–100)
산류 목표는 위로 가고 비목표 물질은 한 줄로 바닥까지 떨어집니다. 결함이 아니라 설계 의도입니다. 활성탄의 공극은 무엇이든 받아들이므로 용량이 유기물과 질소산화물에 나뉩니다. 이온교환 수지는 음이온 작용기만 반응해 용량이 전부 산에 남습니다. 대가는 암모니아, 염소, 오존, 유기 인계 도판트를 전혀 처리하지 않는다는 것이며, 이것들도 함께 관리해야 하는 곳에서는 여전히 활성탄을 곁들여야 합니다.
대가는 같은 그림에 적혀 있습니다. 목표가 아닌 것들이 한 줄로 바닥까지 떨어집니다. 염소나 오존 같은 산화제, 암모니아와 아민류, 유기 인계 도판트를 이온교환은 전혀 처리하지 않습니다. 결함이 아니라 설계 의도이지만, 선정할 때 현장에 이런 요구가 없는지 먼저 확인해야 합니다. 그러지 않으면 효과가 좀 덜한 것이 아니라 전혀 무효입니다.
필터가 오염원이 될 때
가장 놓치기 쉬운 실패 방식은 필터가 방어선에서 배출원으로 바뀌는 것입니다.
5년 뒤 필터는 아세트산을 흡착하고 있나 내뱉고 있나
코터·디벨로퍼 온습도 관리단 흡기 필터, 아세트산 흡기 농도 4 ppbv
활성탄이 공정에 쓰이는 PGMEA 용제를 공극에 빨아들인 뒤 오랫동안 습하고 더운 환경에서 가수분해되어 아세트산을 내놓고 하류로 방출합니다. 필터가 방어선에서 배출원으로 바뀐 것이며 순 배출 4.14 ppbv가 측정되어 온도 관리 설비의 열교환기를 곧바로 침식했습니다. 청정 공기로 다섯 시간 퍼지해도 방출량이 0.51 ppbv까지밖에 내려가지 않는데, 아세트산이 표면 잔류물이 아니라 계속 생성되고 있다는 뜻입니다. 이온교환 수지는 흡착 공극이 없고 에스터류를 흡착하지 않으므로 분해될 저장물도 없어 5년 뒤에도 여전히 순 제거를 하고 있습니다.
코터·디벨로퍼의 온습도 관리단 흡기 필터에 활성탄을 쓰면 황색광 구역의 PGMEA를 오래 흡착한 뒤 습하고 더운 환경에서 가수분해되어 아세트산을 내놓고 하류로 방출합니다. 이때는 필터의 출구 농도가 입구보다 높습니다. 스스로 오염물질을 만들고 있는 것입니다.
현장에서 가장 곤란한 것은 차압계가 이 일을 전혀 읽지 못한다는 점입니다. 압력손실은 미립자 막힘만 비추고 화학 반응 때문에 달라지지 않습니다. 잡아내려면 출구 채취밖에 없고, AMC 온라인 모니터링이 선단 공장에서 점점 기본 사양이 되는 이유이기도 합니다.
이온교환 수지는 흡착 공극이 없고 에스터류를 흡착하지 않으니 분해될 저장물도 없습니다. 여기서 정비상의 이점이 하나 나옵니다. 출구 농도가 갑자기 오르면 반드시 포화이거나 바이패스 누설이지 여재가 스스로 뱉는 것이 아니므로, 고장 원인의 가능성이 하나 줄어듭니다.
두 전선: 발생원과 경로
차트 2: AMC 관리의 두 전선 — 발생원 저감 × 경로 차단
한 전선만 챙기면 반드시 새며, 온전한 AMC 전략은 두 전선에서 동시에 싸워야 합니다
발생원 관리: 오염이 생기는 것을 줄임
- ▸저아웃가스 건축 자재, 도료, 바닥 접착제
- ▸공정 배기의 국소 포집
- ▸FOUP / 장갑 / 포장재 선별
- ▸인원 작업 절차 관리
경로 여과: 공기가 웨이퍼에 닿기 전에 막음
- ▸MAU / OAU 외기 케미컬 필터
- ▸FFU 환기 쪽 몰레큘러 시브 흡착
- ▸국부 mini-environment 필터
- ▸정기적인 IMS / GC-MS 감시와 교체를 함께
필터를 고를 때는 목표 오염물질에 따라 흡착 매질을 골라야 합니다. 산성 가스에는 KOH / Na₂CO₃ 함침탄, 염기성에는 H₃PO₄ 함침탄, 유기물에는 미함침 고비표면적 탄소를 씁니다.
IRDS가 AMC 관리를 설명하는 방식은 두 가지를 함께 하는 것입니다. AMC가 나오지 않게 막는 것(발생원 관리는 필요조건입니다), 그리고 공기 순환으로 계속 제거하는 것입니다. 순서를 뒤집으면 안 됩니다. 발생원에서 막을 수 있는 것을 필터에 넘기지 마십시오.
배관 침투나 여재 노화로 생기는 산은 모두 발생원 문제라 필터를 갈아서는 풀리지 않습니다. 선정 회의에서 한 번 먼저 물어볼 값어치가 있습니다. 이 산은 바깥에서 들어온 것입니까, 우리가 스스로 만들고 있는 것입니까?
선정: 언제 어느 쪽을 써야 하나
| 현장 조건 | 권장 | 이유 |
|---|---|---|
| 강산만 관리(HF, HCl, HNO₃, SO₂) | 이온교환 | 용량을 전부 산에 쓰므로 수명과 피크 대응력이 우세 |
| VOC, 에스터류, 응축물도 함께 관리 | 활성탄 | 물리 흡착이 필요한데 이온교환에는 그 메커니즘이 없음 |
| 암모니아와 아민류를 관리 | 산성 함침탄 또는 양이온형 수지 | 음이온 작용기는 염기와 반응하지 않음 |
| 염소, 오존 등 산화제가 있음 | 활성탄 | 이온교환에는 대응 메커니즘이 없음 |
| 외기단, 공사 기간의 디젤 배기 | 활성탄(개질 포함) | 이 단계의 부하는 주로 유기물과 질소산화물 |
| 공정에 가까운 마지막 단(FFU, 장비 흡기, 보관함) | 이온교환 | 목표가 분명하고 긴 수명과 낮은 2차 오염을 요구 |
실무에서 대다수 공장은 둘 중 하나를 고르는 것이 아니라 구역과 단을 나눠 조합합니다. 외기와 배기단에는 활성탄으로 유기물과 산화제를 처리하고, 공정에 가까운 자리에는 이온교환 케미컬 필터로 산의 마지막 단을 맡깁니다. 어느 한 가지만 쓰면 반드시 구멍이 남습니다.
AMC의 위해와 사례 배경을 더 온전히 보고 싶다면 암모니아수 한 통이 웨이퍼 한 장을 어떻게 망치나를 참고하십시오.
자주 묻는 질문
Q: 이온교환 필터가 활성탄을 완전히 대체할 수 있습니까?
안 됩니다. 그리고 이것이 선정할 때 가장 먼저 확인해야 할 일입니다. 이온교환은 산만 처리하고 암모니아와 아민류, 염소, 오존, 휘발성 유기물, 유기 인계 도판트에는 전혀 작용하지 않습니다. 현장에 이런 요구가 함께 있다면 두 가지를 단을 나눠 조합해야 합니다. 반대로 목표가 분명히 강산이라면 활성탄을 쓰는 것은 용량의 태반을 상관없는 것에 쓰는 셈입니다.
Q: 차압계로 케미컬 필터를 갈아야 할지 판단할 수 있습니까?
절반만 판단할 수 있습니다. 차압이 오르는 것은 전단 미립자 필터에 먼지가 쌓였다는 뜻이라 갈아야 할 것은 프리필터입니다. 그러나 케미컬 여재의 포화는 차압에 나타나지 않습니다. 압력손실은 그대로인데 출구 농도가 오르는 것이 화학단 실효의 신호입니다. 현장에서 가장 자주 오판하는 대목입니다. 교체 시점을 정확히 잡으려면 정기적으로 출구 농도를 채취해 분석하거나 여재의 잔여 흡착 용량을 검사 의뢰해야 합니다.
Q: 총산량이라는 사양이 의미가 있습니까?
제한적입니다. IRDS의 입장은 AMC를 단일 농도값이 아니라 선량으로 봐야 한다는 것이고, 산과 관련된 결함 위험은 대개 특정 공정 단계나 특정 장비에 묶여 있습니다. 총산량으로 사양을 내면 어느 산에나 그저 그렇고 어느 산에도 특별히 강하지 않은 필터를 사기 쉽습니다. 더 쓸모 있는 물음은 이렇습니다. 이 장비가 가장 두려워하는 산은 어느 것이고 목표 농도는 얼마이며 접촉 시간은 얼마입니까?
Q: 이온교환 여재도 활성탄처럼 흡착한 산을 도로 뱉습니까?
메커니즘상 그러지 않습니다. 활성탄의 물리 흡착은 가역적이라 강산이 들어오면 앞서 흡착한 약산을 밀어냅니다. 이온교환은 작용기와 산이 화학 결합을 이루므로 온습도나 pH 변화로 기류에 되돌아오지 않습니다. 실무적 의미는 이렇습니다. 출구 농도가 이상하게 오를 때 여재가 되뱉는 가능성을 곧바로 배제하고 포화와 바이패스만 확인하면 됩니다.
Q: 외기 유닛과 FFU에 같은 케미컬 여재를 써야 합니까?
보통은 아닙니다. 외기단이 마주하는 것은 휘발성 유기물, 질소산화물, 계절성 이산화황이라 부하 성분이 복잡하고 양도 많아 활성탄이 알맞습니다. FFU는 공정에 가까워 목표가 좁고 긴 수명과 2차 배출 0을 요구하므로 이온교환의 조건이 더 좋습니다. 같은 여재로 공장 전체를 관통시키면 어느 한쪽에서 대가를 치릅니다. 수명이 짧거나 메우지 못한 구멍이 남거나 둘 중 하나입니다.
