한 문장으로: 충분히 순수한 것을 공정에서 쓸 수 있는 것으로
마트에서 산 생수에는 순수하다고 적혀 있고 마시는 데 문제가 없습니다. 그러나 같은 물로 웨이퍼를 헹구면 남은 미네랄이 표면에 물자국을 남겨 곧바로 폐기됩니다. 가스도 같은 이야기입니다. 실린더에 99.999%(5N)라고 찍힌 질소는 장비 외장을 불어 내는 데는 넘치도록 충분하지만 에피택시 퍼니스에 넣으면 웨이퍼 한 장을 통째로 망칠 수 있습니다.
가스 정제기가 하는 일은 아주 단순합니다. 이미 아주 순수한 가스를 두세 자릿수 더 위로 밀어 올려 화학 공업급의 순수함에서 반도체 공정에서 쓸 수 있는 순수함으로 만드는 것입니다. 필터가 아닙니다. 필터가 막는 것은 부피가 보이는 미립자이고, 정제기가 상대하는 것은 가스에 녹아 가스 분자와 섞여 있는 분자급 불순물입니다. 다만 공기는 예외여서 XCDA 정제기의 입구는 대기 그 자체이고 수분을 % 급에서 ppt 급까지 끌어내려야 하며, 이는 XCDA란 무엇인가에서 다룹니다.
5N은 깨끗하다는 뜻이 아닙니다: N 등급은 불순물이 얼마라는 뜻인가
가스의 N은 뒤에 9가 몇 개 붙느냐입니다. 4N은 99.99%, 5N은 99.999%, 6N은 99.9999%입니다. 이것을 불순물 농도로 옮기면 훨씬 직관적입니다. 5N은 불순물 총량이 약 10 ppm이라는 뜻이고, 백만 몫의 가스 가운데 10 몫이 원하지 않는 것이라는 말입니다.
그림 1: 가스 순도 사다리 — N 등급은 불순물이 얼마라는 뜻인가?
가로축은 로그 눈금이고 한 칸이 10배 차이입니다. 5N은 불순물 총량 < 10 ppm을 보증할 뿐이라 공정이 요구하는 ppb와는 아직 세 자릿수 차이입니다
1 ppb는 얼마나 작을까요? 32년 가운데 1초, 또는 표준 수영장 하나에 든 소금 2.5그램에 해당합니다. 가스원에 표시된 N 등급은 출고값이라 실린더와 배관과 밸브를 거치면서 더 나빠집니다. 그래서 공정 쪽에서 사용점에 한 번 더 정제기를 두어야 합니다.
문제는 공정이 신경 쓰는 것이 언제나 총 불순물이 아니라 어느 불순물이냐는 점입니다. 같은 5N 질소라도 그 10 ppm이 거의 다 아르곤이면 대부분의 공정에 해가 없지만, 그 가운데 2 ppm이 수분이면 에피택시 계면에 산화층이 생깁니다. 정제기의 사양표가 언제나 H₂O, O₂, CO, CO₂, CH₄, NMHC의 출구 농도를 항목마다 적고 총 순도 숫자 하나만 적지 않는 이유가 이것입니다.
구매할 때 흔한 오해는 6N 가스원을 사면 정제기가 필요 없다고 여기는 것입니다. 6N은 출고값이라 실린더에 채우던 그 순간의 품질을 말하는 것이지 장비 입구의 품질이 아닙니다.
가스원은 출고할 때 깨끗하고 문제는 오는 길에 생깁니다
공급업체가 보낸 가스가 계약 사양에 완전히 맞더라도, 가스가 실린더나 대용량 액체 탱크에서 장비까지 오는 길에 불순물이 다시 묻습니다:
| 불순물 출처 | 언제 생기나 | 전형적 영향 |
|---|---|---|
| 관벽 재료의 탈기 | 새 배관을 처음 쓸 때, 시스템 승온 시 | 수분과 탄화수소가 나옴, ppb～ppm 급 |
| 밸브와 이음매의 미세 누설 | 오래 운전한 뒤, 패킹이 노화된 뒤 | 대기 중의 O₂와 H₂O가 거꾸로 확산해 들어옴 |
| 실린더 교체 작업 중 공기 유입 | 실린더를 갈거나 매니폴드를 전환할 때마다 | 짧은 시간의 ppm 급 피크, 퍼지로 없애야 함 |
| 정기 보수로 배관을 연 뒤의 잔류 수분 | 정지 보수, 배관 개조 뒤 | 관벽에 흡착된 수분을 며칠에서 몇 주 퍼지해야 함 |
| 필터와 호스의 투과 | 전금속 부품이 아닌 구간 | 대기 수분이 계속 스며듦, 양은 적지만 이어짐 |
그림 2: 정제기는 공급 사슬의 어느 단에 다나?
유틸리티 쪽에서 대유량 조정제를, 사용점 쪽에서 POU 정밀 정제를 맡아 두 단으로 나눕니다
왜 두 단일까요? 유틸리티 쪽에서 정제를 마친 기체도 수백 미터의 스테인리스 배관과 수십 개의 밸브와 이음매를 지나야 장비에 닿고, 그 길에서 수분과 미립자가 다시 묻습니다. POU 정제기는 장비 앞 1미터 안에 달아 마지막 방어선이 됩니다.
바꿔 말해 가스원 순도와 장비 입구 순도는 다른 이야기입니다. 정제기는 사용점에 달리며 재고 관리하는 것은 모두 뒤의 것입니다.
여섯 가지 불순물, 여섯 가지 재난
정제기 사양표의 그 화학식들은 각각 다른 실패 양상에 대응합니다:
| 불순물 | 작용 메커니즘 | 전형적 결과 |
|---|---|---|
| H₂O 수분 | 고온에서 규소·금속과 반응해 산화물을 만듦 | 에피택시 계면 산화, 게이트 산화막 두께 통제 상실, 리튬전지 전해액 분해 |
| O₂ 산소 | 공정 표면과 납땜을 곧바로 산화 | 박막 결함, 용접 공동, 금속층 저항 상승 |
| CO / CO₂ | 고온에서 탄소와 산소로 분해 | 실리콘 표면 탄소 오염, 에피택시층 적층 결함 |
| CH₄ / NMHC 탄화수소 | 열분해되어 탄소막으로 침착 | 표면 탄소 오염, 광학 부품 흐림, 계측기 기준선 이동 |
| N₂(H₂, Ar 안에서) | 고온에서 질화물을 만듦 | GaN／III-V 공정에서 막 조성 변화, 캐리어 농도 편차 |
| 미립자 | 웨이퍼 표면에 물리적으로 침강 | 패턴 결함, 단락과 단선, 수율을 곧바로 죽임 |
마지막 두 항목의 차이에 유의하십시오. N₂는 질소 공정에는 당연히 해가 없지만 수소나 아르곤에 섞이면 불순물입니다. 미립자는 물리적 오염이라 정제기에 내장된 고정밀 필터(흔한 여과 정밀도 0.003μm)로 처리하며 앞의 항목들의 흡착 메커니즘과 다릅니다.
누가 어디에 쓰나
그림 3: 가스 정제기의 업종별 적용 대조
같은 질소라도 리플로 퍼니스는 ppm, 에피택시는 ppb를 요구합니다. 요구가 1000배 차이니 설비 선정도 당연히 달라집니다
| 업종 / 공정 | 주로 쓰는 가스 | 불순물이 무엇을 일으키나 | 흔한 정제 후 요구 |
|---|---|---|---|
| 반도체 에피택시, 식각, 증착 | N₂、H₂、Ar、He | H₂O / O₂가 계면 산화와 박막 결함을 일으킴 | 항목마다 < 1 ppb |
| 선단 패키징 리플로, 웨이브 솔더링 | N₂ | O₂가 납땜부 산화, 공동, 젖음 불량을 일으킴 | O₂ < 10–50 ppm |
| 패널 / LED MOCVD 에피택시 | NH₃、H₂、N₂ | 수분이 에피택시 결정 품질과 발광 효율에 영향을 줌 | H₂O、O₂ < 1 ppb |
| 리튬전지 드라이룸과 화성 | 건조 공기, N₂ | 수분이 전해액을 분해해 전지가 가스를 내며 부풂 | 이슬점 −40～−60°C |
| 광섬유 프리폼 증착 | O₂、He、Cl₂ | OH⁻가 흡수 피크를 만들어 광섬유 감쇠가 커짐 | H₂O ppb 급 |
| 노광기, 계측 장비 퍼지 | XCDA 청정 건조 공기 | AMC가 렌즈를 흐리게 하고 웨이퍼 표면에 Haze를 만듦 | H₂O / CO₂ < 100 ppt |
| 초임계 CO₂ 웨이퍼 건조 | CO₂ | NVHC가 감압할 때 석출되어 잔류하고 산성 가스가 금속을 부식 | NVHC < 0.01 ppb |
| 실험실 분석 계측기 캐리어 가스 | He、Ar、N₂ | 기준선 이동, 고스트 피크, 검출 한계 악화 | 항목마다 < 1 ppb |
정제 등급은 높을수록 좋은 것이 아니라 공정의 관용도에 딱 맞아야 하는 것입니다. 요구가 지나치면 설비와 소모품과 재생 에너지의 대가를 치르고, 모자라면 곧바로 수율에 나타납니다. 선정 전에 공정 쪽에 허용할 수 있는 불순물 상한을 물어야지 남의 사양을 베껴서는 안 됩니다.
이 표에서 한 가지를 볼 수 있습니다. 정제 등급은 업종의 라벨이 아니라 공정의 관용도라는 것입니다. 같은 질소라도 선단 패키징의 리플로 퍼니스는 O₂ < 50 ppm을 요구하고 에피택시 퍼니스는 < 1 ppb를 요구해 그 사이가 거의 5만 배 차이입니다. 에피택시의 기준으로 리플로 퍼니스의 정제기를 맞추면 돌아오는 것이 전혀 없는 곳에 돈을 쓰게 됩니다.
2단 구성: 유틸리티 쪽과 사용점 쪽의 역할 분담
대형 공장의 표준 방식은 정제를 두 단으로 나누는 것입니다:
- 1유틸리티 쪽(Facility): 가스 주 배관에 대유량 전자동 재생형 정제기를 답니다. 유량은 10에서 50000 Nm³/h이고 여러 흡착 탱크를 병렬로 두어 한 조는 공급하고 한 조는 재생하며 24시간 멈추지 않습니다. 공장 전체의 기초 가스 품질을 ppb 등급까지 끌어올리는 것을 맡습니다.
- 2사용점 쪽(Point of Use, POU): 핵심 장비마다 1미터 안쪽에 관형 정제기나 가열형 정제기를 답니다. 유량은 0.2 LPM에서 4000 SLPM입니다. 배관을 따라오며 다시 섞인 불순물을 한 번 더 걷어 내는 것을 맡습니다.
소형 공장이나 연구개발 실험실은 보통 POU 한 단만 합니다. 가스 사용량이 많지 않고 배관도 짧아 관형 정제기 한 대면 기준에 닿고, 라인 몇 개를 위해 재생 시스템을 통째로 지을 필요가 없습니다.
세 가지 신호: 정제기가 필요할 수도 있습니다
- ▸장비 사양서가 가스원 계약보다 엄격합니다: 설비사가 적은 입구 가스 요구는 ppb 급인데 가스 공급 계약은 ppm 급만 보증합니다. 이 사이의 간극을 아무도 메우지 않는데 그 자리가 정제기의 자리입니다.
- ▸수율 변동이 실린더 교체나 정기 보수 시점과 맞아떨어집니다: 불량률의 고점이 늘 실린더를 간 뒤 몇 시간이나 정기 보수를 마치고 복구한 뒤 며칠에 몰린다면 대개 가스 불순물의 피크가 원인이며, 이런 문제는 공정 인자를 조절해서는 잡히지 않습니다.
- ▸사용점에서 잰 값이 유틸리티 쪽보다 나쁩니다: 유틸리티 쪽에서 1 ppb로 잰 수분이 장비 입구에서 20 ppb로 잡힌다면 오염이 배관에서 생긴다는 뜻이고 손봐야 할 곳은 가스원이 아니라 사용점입니다.
자주 묻는 질문
Q: 가스원이 이미 6N인데 정제기가 필요합니까?
공정이 어느 불순물을 요구하는지 봐야 합니다. 6N은 불순물 총량이 약 1 ppm이라는 뜻인데 공정이 수분 < 1 ppb를 요구한다면 그 사이에 세 자릿수가 더 남아 있습니다. 게다가 6N은 충전하던 그 순간의 출고값이라 배관과 밸브와 실린더 교체 작업을 거치면 장비 입구의 실제 값은 반드시 출고값보다 나쁩니다.
Q: 정제기와 가스 필터는 무엇이 다릅니까?
필터가 막는 것은 부피가 있는 미립자로 기계적 차단에 기대며 여재의 구멍 크기가 얼마나 작은 것까지 막을지를 정합니다. 정제기는 가스에 녹아 있는 분자(물, 산소, 일산화탄소, 메테인)를 상대하며 흡착이나 촉매나 화학 결합으로 그것들을 붙잡아 둡니다. 둘이 다루는 오염의 층위가 전혀 달라 대다수 정제기가 필터를 내장하지만 필터가 정제기를 대신할 수는 결코 없습니다.
Q: 흡착제가 포화되면 불순물을 가스로 도로 뱉습니까?
그렇습니다. 정제기에서 가장 유의해야 할 실패 양상입니다. 흡착은 되돌릴 수 있는 평형 과정이라 흡착층이 포화되거나 입구 농도가 갑자기 내려가면 앞서 흡착한 불순물이 다시 나올 수 있고(탈착) 출구 농도가 짧은 시간 입구보다 높아집니다. 그래서 정제기는 온라인 분석 감시와 교체 주기 관리를 함께 두어야 하고 달아 놓고 영원히 유효하다고 여겨서는 안 됩니다.
Q: 정제기 한 대로 서로 다른 가스를 함께 처리할 수 있습니까?
권하지 않습니다. 흡착제 배합은 특정 가스와 불순물 조합을 겨냥해 설계된 것이라, 같은 흡착탑을 산소와 수소에 함께 쓰면 효율이 맞지 않는 것은 물론이고 산화성 가스와 가연성 가스가 서로 잔류하는 안전 위험도 있습니다. 실무에서는 가스 한 종에 정제기 한 대이며 선정할 때 가스 종류를 분명히 말해야 합니다.
Q: 달고 나서 정말 효과가 있는지 어떻게 검증합니까?
가장 직접적인 방법은 정제기 입구와 출구에서 동시에 시료를 채취해 온라인 미량 분석기로 견주는 것입니다. 수분은 흔히 CRDS(공동 감쇠 분광)나 정전용량식 노점계를 쓰고, 산소는 전기화학식이나 형광식 산소 분석기를, 탄화수소는 FID나 GC-MS를 씁니다. 채취 배관 자체도 먼저 배경값이 안정될 때까지 퍼지해야 하며 그러지 않으면 재는 것이 가스가 아니라 관이 됩니다. 여러 온라인 감시 기술의 원리와 적용 범위는 AMC 온라인 모니터링 기술 비교를 참고하십시오.
Q: 정제기의 정비 비용이 큽니까?
기종에 따라 다릅니다. 상온 관형 정제기는 대개 공장으로 보내 재생할 수 있고 간격은 1～2년이며 설비 본체 수명은 20년 이상에 이릅니다. 가열형의 게터 컬럼은 재생할 수 없어 포화되면 현장에서 갈고 수명은 약 3～5년입니다. 대유량 전자동형은 재생 순환을 자체적으로 갖추며 주된 비용은 재생할 때의 가열 에너지와 정기적인 흡착재 교체입니다. 선정할 때 이것들을 총소유비용(TCO)에 넣어 따지는 편이 설비 단가만 비교하는 것보다 훨씬 의미가 있습니다.