XCDA란 무엇인가: CDA에서 ppt 급 청정 건조 공기까지의 기술 해설

세 용어를 먼저 갈라 둡시다

현장에서는 압축 공기와 CDA와 XCDA를 섞어 말하지만 이들이 관리하는 것은 층위가 전혀 다릅니다. 이 세 낱말을 헷갈리면 선정과 검수가 첫 단계부터 마지막까지 어긋납니다. CDA 자체의 등급과 이슬점을 읽는 법은 CDA란 무엇인가에서 따로 다룹니다.

결정적인 차이는 마지막 칸의 지표 단위입니다. CDA의 세계는 mg/m³와 μm를 쓰고 XCDA의 세계는 ppt를 씁니다. ppt는 조 분의 일입니다. 올림픽 규격 수영장 하나(2,500 세제곱미터)의 물을 기체 총량이라고 치면 1 ppt는 그 가운데 약 2.5 밀리리터, 찻숟가락 반입니다. XCDA가 요구하는 것은 수영장 전체에서 찻숟가락 반의 불순물도 찾을 수 없는 상태입니다.

한 문장으로 차이를 기억하십시오. CDA가 관리하는 것은 보이고 만져지는 더러움이고 XCDA가 관리하는 것은 측정되지만 보이지 않는 더러움입니다.

XCDA의 원료는 세상에서 가장 더러운 원료입니다

질소 정제기의 입구는 실린더나 액체 질소 증발기에서 나온 5N, 6N 가스입니다. XCDA 정제기의 입구는 대기입니다. 이것이 모든 가스 정제기 가운데 XCDA가 가장 특별하고 가장 어려운 대목입니다. 원료 자체가 오염원입니다.

여기에 압축기가 스스로 보태는 기름이 더해집니다. ISO 8573-1에서 가장 엄격한 무급유 등급 Class 1이 ≤0.01 mg/m³인데 이미 아주 깨끗하게 들리지만 부피 농도로 환산하면(C12 탄화수소로 추산) 약 1.4 ppb입니다. 여전히 XCDA의 유기물 문턱 <10 ppt의 백 배가 넘습니다. TOC의 표정 기준(as C₃H₈)이 이것과 다르기는 하지만 자릿수 차이는 분명합니다. 무급유 압축기가 무유기물을 뜻하지는 않습니다.

그래서 XCDA는 설비 하나로 풀 수 없습니다. 역할이 분명한 여러 단이 줄지어 필요합니다.

이슬점 −70°C가 깨끗함을 뜻하지 않는 이유

사양서에서 가장 흔한 오도가 이슬점을 청정도 지표로 삼는 것입니다. 이슬점은 H₂O 한 물질만 서술할 뿐 CO₂, 유기물, 산과 염기에 대해서는 한마디도 하지 않습니다. 그리고 H₂O만 보더라도 이슬점과 ppt 사이의 환산이 자주 잘못 읽힙니다.

마지막 두 줄을 보십시오. 이슬점 −100°C를 내세우는 건조기의 출구에도 H₂O가 14 ppb, 곧 14,000 ppt 남아 있습니다. XCDA의 <100 ppt와는 아직 140배 차이입니다. 100 ppt에 대응하려면 상압 이슬점이 약 −122°C까지 내려가야 하는데 이는 이미 대다수 노점계의 믿을 만한 측정 범위를 벗어납니다.

더 은밀한 함정이 하나 더 있습니다. 압력 이슬점과 상압 이슬점은 같은 것이 아닙니다. 같은 이슬점 −40°C라도 그것이 0.7 MPa(g)(절대 압력 약 8 bar)에서 잰 압력 이슬점이라면 부피 농도로 환산했을 때 약 16 ppm뿐이고, 상압으로 감압하면 대응하는 상압 이슬점은 약 −57°C입니다. 사양서를 볼 때는 어느 쪽인지 반드시 물어야 하며 둘은 십몇 도까지 차이 날 수 있습니다.

실무적 결론: ppt 급 기체는 이슬점으로 서술하지 않고 농도를 그대로 씁니다. 이슬점으로 XCDA를 이야기하는 사람을 보면 대개 손에 든 계측기가 그 구간을 아예 재지 못한다는 뜻입니다.

제거 열차: 다섯 단이 각각 맡는 것

이 다섯 단의 순서는 바꿀 수 없습니다. 단마다 다음 단의 부하를 덜어 주기 때문입니다:

1. 1압축과 전처리 —— 사이클론 분리, 응집 필터, 활성탄 탈유입니다. 이 단의 임무는 깨끗하게 만드는 것이 아니라 하류를 지키는 것입니다. 유증기가 한번 새어 넘어가면 4단의 흡착제가 기름에 공극 입구를 덮여 영구히 중독되고 고온 재생으로도 몰아낼 수 없어 층을 통째로 갈 수밖에 없습니다.
2. 2건조(TSA 변온 흡착) —— 몰레큘러 시브로 H₂O의 주된 부하를 1.9%에서 ppm 급까지 끌어내립니다. 이 단이 물 분자의 99.99% 이상을 걷어 내며, 이것이 없으면 뒷단의 심층 흡착층이 몇 시간 만에 포화됩니다.
3. 3촉매 산화 —— CO, H₂, 메테인처럼 흡착으로 붙들리지 않는 작은 분자는 상온 흡착제에 거의 잡히지 않습니다. 고온 촉매가 이것들을 CO₂와 H₂O로 산화시켜 뒷단 흡착제가 잘 다루는 물질로 바꿉니다. 이길 수 없으면 바꿔 버리는 전형적인 수법입니다.
4. 4심층 흡착(다층 베드) —— 숫자를 진짜로 ppt까지 누르는 단입니다. 층마다 맡는 물질이 다릅니다. 몰레큘러 시브가 H₂O와 CO₂를, 개질 활성탄이 유기물과 난용 화합물을, 산·염기 함침 재료가 SO₂와 NH₃를 먹습니다. 여러 탱크를 병렬로 두고 상온 정제와 고온 재생을 번갈아 하며 제어 시스템이 자동으로 전환해 24시간 끊김 없는 공급을 이룹니다.
5. 5POU 말단 여과 —— 앞의 네 단이 아무리 깨끗해도 기체는 결국 밸브와 배관과 흡착층 자체를 지나야 하고 이것들에서 미립자가 떨어집니다. 말단 여과를 사용점에 가장 가까운 자리에 두어 시스템 스스로 만든 입자를 막습니다. 전형적인 요구는 ≤1 pcs/m³ @0.003 μm입니다.

바꿔 말해 어느 한 단도 XCDA 정제기가 아니며 XCDA는 이 한 줄 전체의 산출물입니다. 4단만 따로 사서 유틸리티 CDA에 이어 놓으면 보통 한 해를 못 버팁니다.

여섯 지표, 여섯 가지 실패

카탈로그의 XCDA 정제기 지표표는 숫자의 나열로 보이지만 줄마다 실제 장비 고장 하나에 대응합니다.

그중에서 따로 이야기할 값어치가 가장 큰 것이 휘발성 염기입니다. 화학 증폭형 포토레지스트(CAR)는 노광 후 광산의 확산으로 반응을 마치는데 NH₃는 염기라 표층의 광산을 중화합니다. 그 결과 포토레지스트 위쪽의 반응이 모자라 현상 후 단면이 T자 모양이 됩니다. 업계에서 T-top 결함이라고 부릅니다. 이 일의 잔인한 대목은 이렇습니다. 웨이퍼가 노광을 마치고 후베이크(PEB) 전에 기다리는 그 시간 동안 환경에 ppb 등급의 NH₃만 있어도 몇 분이면 배치 전체를 망치기에 충분하고, 게다가 겉으로는 전혀 보이지 않습니다. 황색광 구역 AMC 관리가 오랫동안 으뜸가는 과제로 여겨져 온 이유이기도 합니다.

as SO₂, as HMDSO는 무슨 뜻인가

지표표의 as는 안에 그 화합물만 있다는 말이 아니라 등가 환산 기준입니다. 휘발성 산은 SO₂, HF, HCl, HNO₃가 섞인 것일 수 있고, 분석할 때 SO₂를 표정 물질로 삼아 총량을 SO₂로 치면 얼마인지로 환산합니다. 난용 화합물의 HMDSO(헥사메틸다이실록세인)도 같은 이치이며 실록산 계열에서 가장 흔히 대표로 삼는 하나입니다.

그러니 두 회사의 사양서를 견줄 때는 숫자만 볼 것이 아니라 표정 기준이 같은지도 봐야 합니다. 기준이 다른 숫자를 그대로 맞대어 비교하는 것이 흔한 오판의 원인입니다.

XCDA는 어디에 쓰나: 구체적인 세 장면

• ▸노광기의 공기 부상 스테이지와 렌즈 퍼지 —— 노광기 스테이지는 공기 베어링에 기대 거의 마찰 없는 상태로 빠르게 위치를 잡으므로 공급량이 많고 아주 안정적이어야 합니다. 기체 속의 기름과 입자가 부상면과 렌즈군을 곧바로 오염시키는데, XCDA의 유량 사양이 20,000 Nm³/h 급까지 올라가는 주된 이유가 이것입니다.
• ▸계측 장비의 광학 경로 —— 오버레이 계측이나 박막 두께 계측 같은 설비는 광로에 분자막이 생기기만 해도 계측값이 계통적으로 어긋납니다. 이런 어긋남은 경보가 울리지 않고 공정 엔지니어가 몇 주씩 가짜 신호를 쫓게 만들 뿐입니다.
• ▸웨이퍼와 마스크의 반송과 임시 보관 —— FOUP, 마스크 박스, 웨이퍼 보관대를 XCDA나 고순도 질소로 계속 퍼지해 낮은 AMC의 미세 환경을 유지합니다. 웨이퍼가 공정 스테이션 사이에서 기다리는 시간이 실제 가공보다 긴 경우가 많은데, 아무것도 하지 않는 그 시간이야말로 오염이 쌓이는 주 무대입니다.

XCDA와 AMC 케미컬 필터는 어떤 관계인가

둘을 놓고 하나를 고르려 하는 경우가 많지만 이들이 지키는 경로는 다릅니다.

올바른 생각은 층으로 나눠 지키는 것입니다. 케미컬 필터가 방 전체의 배경을 지키고 XCDA가 웨이퍼와 광학 부품에 곧바로 닿는 그 기체를 지킵니다. 방의 배경이 높으면 XCDA 정제기의 입구 부하도 따라 무거워지고 재생 주기가 짧아집니다. 둘은 연동하는 것이지 대체하는 것이 아닙니다. 케미컬 필터 쪽의 설계 원리는 케미컬 필터 선정과 함침 기술에서 더 읽을 수 있습니다.

자주 묻는 질문

Q: CDA 주 배관에 케미컬 필터를 하나 더하면 XCDA가 됩니까?

안 됩니다. 차이가 정도가 아니라 자릿수에 있습니다. 케미컬 필터의 전형적인 임무는 ppb 급을 sub-ppb 급으로 내리는 것이고 XCDA가 요구하는 것은 ppt입니다. 게다가 필터는 H₂O와 CO₂를 거의 처리하지 못하는데 하필 이 둘이 대기에서 양이 가장 많은 불순물입니다. 건조단과 재생형 흡착층이 없으면 여재가 아주 짧은 시간에 포화됩니다.

Q: XCDA와 고순도 질소 퍼지 중 어느 쪽을 골라야 합니까?

용도를 봅니다. 산소를 배제해야 한다면(산화 방지, 연소 방지) 질소를 써야 합니다. 깨끗하고 AMC가 없는 환경만 필요하고 산소 결핍 위험을 만들고 싶지 않은 곳에는 XCDA가 더 알맞습니다. 본질이 여전히 공기라 질식 우려가 없고 사람이 들어갈 수 있는 구역에서 안전성이 뚜렷이 낫습니다. 많은 공장이 둘을 함께 씁니다. 밀폐 용기 안에는 질소를, 열리거나 반쯤 열린 구역에는 XCDA를 씁니다.

Q: 반드시 <10 ppt까지 해야 합니까? 비용이 지나치지 않습니까?

공정 노드와 사용점을 봐야 합니다. 같은 공장 안에서도 노광기와 계측 장비의 사용점에는 온전한 사양이 필요하지만 일반 공압 부품에는 CDA로 충분합니다. 실용적인 방법은 등급을 나눠 공급하는 것입니다. 유틸리티 주 배관에는 CDA를 공급하고 필요한 장비 앞단에만 XCDA를 두는 것이지 공장 전체의 공기를 ppt 급으로 만드는 것이 아닙니다. 선정 순서와 유량 계산은 가스 정제기 선정 가이드를 참고할 수 있습니다. 기존 CDA 시스템에서 올라가는 경우의 현황 점검, 공급 구조, 배관 개조는 CDA에서 XCDA로 업그레이드하기에서 다룹니다.

Q: 흡착층을 재생할 때 출구가 갑자기 더러워지지 않습니까?

잘 설계된 다탱크 시스템은 전환하는 순간에 짧은 농도 교란이 생기지만 정상이라면 하류의 완충과 말단 흡착단이 그것을 흡수해 온라인 감시에 뚜렷한 요동이 보이지 않습니다. 전환할 때마다 데이터에 규칙적인 피크가 보인다면 대개 재생 가스량이 모자라거나 재생 온도가 못 미치거나 전환 밸브 순서에 문제가 있다는 뜻입니다. 검수할 때 특히 눈여겨봐야 할 현상입니다.

Q: XCDA 시스템의 배관에 일반 스테인리스를 써도 됩니까?

ppt 급의 세계에서는 배관 자체가 오염원입니다. 일반 스테인리스 내벽의 거친 표면은 수분과 유기물을 흡착해 가동 후 오래도록 뱉어 내고 심하면 영영 목표값에 닿지 못합니다. 이런 시스템은 보통 전해 연마한 316L 스테인리스(EP 316L)를 쓰고 용접 품질과 데드 존 길이를 엄격히 관리합니다. 아무리 잘 설계한 정제기라도 기준에 못 미치는 배관을 한 구간 이으면 공든 탑이 무너집니다.

Q: 지금 쓰는 시스템이 정말 XCDA에 닿는지 어떻게 압니까?

설비 명판만 봐서는 안 되고 실제로 재야 합니다. 다만 ppt 급 측정 자체가 하나의 전문 분야입니다. 계측기를 잘못 고르거나 채취 배관을 충분히 purge하지 않으면 잰 숫자가 기체가 아니라 채취 시스템을 온전히 비추는 것일 수 있습니다. 이 부분은 다음 글에 따로 썼습니다. XCDA의 측정, 채취, 검수 실무입니다.