Chapter 02

클린룸과 입자

바깥 도시 공기 1 m³에는 0.1 µm보다 큰 입자가 수천만~수억 개 떠 있다. 첨단 팹의 장비 내부와 FOUP 안에서는 같은 부피에 수십~수천 개 이하로 줄여야 한다. 최소 선폭이 수십 nm까지 내려오면서, 눈에 보이지 않는 먼지 한 알이 칩 하나를 죽이는 킬러 결함이 되었다. 이 장에서는 입자 크기와 수율의 관계에서 출발해 ISO 14644-1 등급식을 계산하고, 입자가 어디서 생기고(사람·장비·공정), 공기가 그것을 어떻게 쓸어 내며(FFU·단방향 기류·환기 횟수), 결국 얼마나 웨이퍼에 내려앉는지(침착 속도)를 수식과 시뮬레이터로 따라간다.

입자 크기 분포와 킬러 결함 크기(대략 최소 선폭의 절반 이상)로부터 입자가 수율에 미치는 영향을 추정할 수 있다.
ISO 14644-1:2015 등급식 $C_n = 10^N(0.1/D)^{2.08}$으로 등급별 농도 한도를 계산하고, 측정값으로 등급을 판정하며, 구 Fed-Std-209E 등급과 대응시킬 수 있다.
사람·장비·공정 등 입자 발생원의 크기를 비교하고 방진복과 행동 규칙이 왜 중요한지 설명할 수 있다.
단방향·비단방향 기류의 차이, FFU 커버리지·풍속과 환기 횟수(ACH)의 관계를 계산할 수 있다.
희석 모델 $C = G/(Q\varepsilon)$과 지수 회복으로 정상상태 농도와 100:1 회복 시간을 구할 수 있다.
볼룸·베이-체이스·미니인바이런먼트 구성의 공기량·에너지 차이와, 입자 침착 속도(침강·확산·정전기)를 정량적으로 비교할 수 있다.

입자 한 알이 칩을 죽이는 이유

반도체 공정은 웨이퍼 표면에 수십 층의 얇은 막을 쌓고 깎는 일을 수백 번 되풀이한다. 그 사이 어느 한 단계에서 표면에 입자가 내려앉으면 그 자리는 막이 덮이지 않거나(핀홀), 식각이 막히거나(마스킹), 이웃한 두 배선을 이어 버린다(브리지). 결함이 회로를 실제로 망가뜨릴지는 입자의 크기와 그 자리의 패턴 간격이 정한다. 선폭과 간격이 F인 배선 위에서는 대략 F의 절반 이상인 입자부터 패턴 모양을 바꾸기 시작하고, F보다 큰 입자는 두 선을 확실히 잇거나 끊는다. 이렇게 수율을 떨어뜨리는 결함을 킬러 결함(killer defect)이라 부른다. 업계 로드맵(옛 ITRS, 현재 IRDS의 Yield Enhancement 장)도 오랫동안 “임계 입자 크기 ≈ 반피치의 절반”이라는 경험칙을 써 왔다.

그림 2-1. 입자 크기 비교(대략 범위). 오늘날 웨이퍼를 죽이는 입자는 일반 입자 계수기가 재는 범위(0.1 µm 이상)보다 한 자릿수 이상 작다. 머리카락 굵기는 킬러 결함의 약 1만 배다. MPPS(가장 투과하기 쉬운 입자 크기)는 필터 성능 시험의 기준 크기로 0.1~0.3 µm 부근이다.

그림 2-1에서 눈여겨볼 점은 측정과 관리의 간극이다. 공기 중 입자 계수기(광산란식 OPC)는 보통 0.1 µm 이상을 재고, 더 작은 입자는 응축핵 계수기(CPC) 같은 별도 장비로 잰다. 그러나 수 nm짜리 킬러 결함을 일일이 셀 수는 없다. 그래서 공기 중 입자 수는 크기에 따라 거의 일정한 거듭제곱 법칙을 따른다는 가정을 쓰고, 측정 가능한 크기에서의 농도를 낮게 유지하면 작은 입자도 같은 비율로 줄어든다고 본다. ISO 등급식의 지수 2.08이 바로 그 분포의 기울기다.

그림 2-2. 배선 간격 F에 대한 입자 크기와 결함 영향(개념도). 같은 입자라도 패턴이 촘촘한 곳에 떨어지면 킬러가 되고 빈 곳에 떨어지면 무해하다. 이 확률을 면적으로 나타낸 것이 수율 모델의 임계 면적이다(자세한 내용은 YieldBook).

입자가 웨이퍼 위에 무작위로 떨어진다고 하면, 다이 하나에 떨어지는 킬러 결함 수는 푸아송 분포를 따르고 결함이 하나도 없을 확률이 수율이 된다. 표면 결함 밀도도 크기에 대해 거듭제곱 분포를 따른다고 가정하면 다음과 같이 쓸 수 있다.

$$Y = \exp\!\left(-A \sum_{\text{층}} D(\ge d_k)\right),\qquad D(\ge d) = D_\text{ref}\left(\frac{d_\text{ref}}{d}\right)^{p},\qquad d_k = k\,F$$

여기서 $A$는 다이 면적, $D(\ge d)$는 크기 $d$ 이상 결함의 면밀도(층당), $d_\text{ref}$=0.1 µm에서의 기준 밀도 $D_\text{ref}$, $p$는 크기 분포 지수(공기 중 입자는 약 2.08, 표면 결함은 2~3 정도로 보고된다), $d_k$는 킬러 크기, $k$는 킬러 비율(경험적으로 0.3~0.5)이다. 임계 면적 개념을 $k$와 $A$에 뭉뚱그린 교육용 단순 모델이다.

이 식의 핵심은 $F$가 절반으로 줄면 킬러 크기도 절반이 되고, 그 크기 이상의 결함 수는 $2^{p}\approx 4$배로 늘어난다는 점이다. 같은 청정도로는 미세화할 때마다 수율이 깎이므로, 공정 세대가 바뀔 때마다 공기 청정도, 장비 내부 청정도, 웨이퍼 반송 방식(FOUP)을 함께 강화해야 했다.

SIMULATOR

킬러 결함 크기와 다이 수율

최소 반피치 F 킬러 비율 k = d_k/F 기준 밀도 D_ref (≥0.1 µm, 층당) 크기 분포 지수 p 임계 층 수 다이 면적

킬러 크기 d_k—

층당 킬러 밀도—

다이당 결함 λ—

입자 기인 수율—

해볼 것: ① 다른 값은 두고 F를 100 nm에서 20 nm로 줄여 보자. 같은 “청정도”(D_ref)에서 수율이 얼마나 떨어지는가? ② F = 20 nm에서 수율을 90 % 이상으로 되돌리려면 D_ref를 몇 배 낮춰야 하는가? ③ 다이 면적을 4 cm² 이상(큰 GPU급)으로 키우면 같은 결함 밀도에서도 수율이 급히 떨어진다. 곡선은 현재 설정에서 F만 바꾼 수율이다. 공기 기인 결함만 보는 교육용 모델이다.

결함 밀도 0.0002 /cm²의 감각300 mm 웨이퍼의 면적은 약 707 cm²다. 층당 0.1 µm 이상 결함 밀도 0.0002 /cm²는 웨이퍼 한 장에 그런 결함이 평균 0.14개 생긴다는 뜻이다. 그만큼 깨끗해도 수십 개 층을 지나고 킬러 크기가 10 nm로 내려가면 다이당 결함 기대값이 0.5에 가까워진다. 팹 전체의 결함 관리 목표가 “웨이퍼당 입자 몇 개 추가(PWP, particles per wafer pass)”처럼 극단적으로 작은 숫자로 표현되는 이유다.

ISO 14644-1 등급: 한 줄짜리 식

클린룸의 청정도는 국제 표준 ISO 14644-1:2015(Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration)으로 매긴다. 등급 번호 N은 1부터 9까지이고, 크기 D 이상인 입자의 허용 최대 농도(개/m³)를 다음 한 줄로 정한다.

$$C_n = 10^{N}\left(\frac{0.1}{D}\right)^{2.08}\quad[\text{개/m}^3]$$

여기서 $N$은 ISO 등급 번호(1~9, 0.1 단위 중간 등급 허용), $D$는 고려하는 입자 지름(µm, 0.1~5 µm 범위), $C_n$은 그 크기 이상 입자의 최대 허용 농도다. 0.1 µm에서 $C_n = 10^N$이므로 “ISO N = 0.1 µm 이상 입자가 1 m³에 $10^N$개 이하”로 외우면 된다.

지수 2.08은 크기를 2배로 키우면 농도 한도가 $2^{2.08}\approx 4.2$배 줄어든다는 뜻이다. 0.1 µm 기준값에서 0.5 µm 한도를 구하면 $5^{2.08}\approx 28.5$로 나눈 값이 된다. 예를 들어 ISO 5는 0.1 µm 이상 100,000개/m³, 0.5 µm 이상 약 3,520개/m³이다.

ISO 등급	≥0.1 µm	≥0.2 µm	≥0.3 µm	≥0.5 µm	≥1 µm	≥5 µm	구 Fed-Std-209E
ISO 1	10	(2)	—	—	—	—	—
ISO 2	100	24	10	(4)	—	—	—
ISO 3	1,000	237	102	35	(8)	—	Class 1
ISO 4	10,000	2,370	1,020	352	83	—	Class 10
ISO 5	100,000	23,700	10,200	3,520	832	(29)	Class 100
ISO 6	1,000,000	237,000	102,000	35,200	8,320	293	Class 1,000
ISO 7	—	—	—	352,000	83,200	2,930	Class 10,000
ISO 8	—	—	—	3,520,000	832,000	29,300	Class 100,000
ISO 9	—	—	—	35,200,000	8,320,000	293,000	(실내 공기 수준)

표 2-1. 등급식으로 계산한 농도 한도(개/m³, 유효 숫자 3자리). 괄호 안 값은 식으로는 계산되지만 ISO 14644-1:2015 표에서는 표본 통계상 의미가 약해 분류에 쓰지 않도록 비워 둔 칸이다(“—”는 해당 크기가 그 등급의 분류 크기로 쓰이지 않음). 아주 큰 입자(≥5 µm)를 따로 다루려면 같은 표준의 거대입자 기술자(M descriptor)를 쓴다.

표의 마지막 열은 미국 연방 표준 Fed-Std-209E(Airborne Particulate Cleanliness Classes in Cleanrooms and Clean Zones, 1992)의 등급이다. 209E는 “0.5 µm 이상 입자가 1 ft³에 몇 개인가”를 등급 이름으로 썼다. 1 m³ = 35.31 ft³이므로 ISO 5의 0.5 µm 한도 3,520개/m³는 약 100개/ft³, 즉 Class 100이다. 209E는 2001년 공식 폐지되고 ISO 14644 체계로 대체되었지만, 현장에서는 지금도 “클래스 100”, “클래스 1” 같은 말이 관용적으로 남아 있다.

그림 2-3. 팹 안의 구역별 대표 청정 등급(교육용 일반화). 첨단 팹은 방 전체를 극단적으로 깨끗하게 하는 대신, 웨이퍼가 실제로 노출되는 작은 공간(FOUP·EFEM·챔버)만 ISO 1~3으로 만들고 사람이 다니는 볼룸은 ISO 4~6 정도로 둔다. 숫자는 팹·구역마다 다르다.

등급을 “인증”하려면 측정 위치 수와 위치당 시료 부피도 표준이 정한다. 2015년판은 면적이 커질수록 위치 수가 늘어나는 표(부속서 A의 표 A.1)를 쓰는데, 예를 들어 면적 1,000 m²에는 약 27곳이 필요하다. 위치당 시료량은 가장 큰 고려 입자 크기에서 한도 농도를 기준으로 입자가 최소 20개는 잡힐 만큼 뽑아야 한다.

$$V_s = \frac{20}{C_{n,m}}\times 1000\quad[\text{L}],\qquad V_s \ge 2\ \text{L},\ \ \text{측정 시간}\ge 1\ \text{분}$$

여기서 $C_{n,m}$은 고려하는 가장 큰 입자 크기에서의 등급 한도(개/m³)다. 깨끗한 등급일수록 한도가 작아 시료를 많이 빨아들여야 한다. 예: ISO 3을 0.5 µm로 분류하면 $C\approx 35$개/m³ → $V_s\approx 570$ L, 28.3 L/min 계수기로 약 20분이다.

SIMULATOR

ISO 등급 계산기와 판정

목표 등급 ISO N 입자 크기 D

측정값 입력

측정 크기 측정 농도 (평균)

프리셋

한도 C_n(D)—

ft³당 환산—

209E 대응(0.5 µm)—

최소 시료량 V_s—

측정값이 뜻하는 등급—

판정—

해볼 것: ① 목표 등급을 0.1 단위로 바꾸면 그래프의 굵은 선이 평행 이동한다. 모든 등급선은 기울기가 −2.08로 같다. ② “초과 사례”: 0.3 µm에서 15,000개/m³가 나오면 ISO 5 한도(10,200)를 넘는다. 측정값이 뜻하는 등급은 $N = \log_{10}[C\,(D/0.1)^{2.08}]$을 0.1 단위로 올림한 값이다. ③ ISO 3을 0.1 µm로 분류할 때와 0.5 µm로 분류할 때 최소 시료량이 얼마나 다른지 비교해 보자.

등급은 상태(state)와 함께 말한다ISO 14644-1은 측정 시점의 점유 상태를 명시하도록 한다. 시공 직후 장비·사람이 없는 as-built, 장비는 설치되어 돌지만 사람이 없는 at-rest, 정상 운전 중인 operational이다. 같은 방이 at-rest에서 ISO 4라도 operational에서는 ISO 5로 나올 수 있다. 사람과 움직이는 장비가 입자를 만들기 때문이다. 계약서나 사양서에 “ISO 5”만 쓰고 상태를 빼면 분쟁의 씨앗이 된다.

입자는 어디서 오는가

클린룸에 공급되는 공기는 천장의 ULPA 필터를 지나 사실상 입자가 없다. 그러니 클린룸 안의 입자는 거의 전부 방 안에서 생긴 것이다. 발생원은 크게 사람, 장비와 반송, 공정, 건물·자재, 그리고 외부 침투로 나눌 수 있다.

그림 2-4. 클린룸 안의 주요 입자 발생원. 공급 공기가 깨끗하므로 방 안의 입자 농도는 “방 안에서 만든 양 ÷ 쓸어 내는 공기량”으로 정해진다(7절의 희석 모델). ⑥은 3장의 실간 차압, ⑦은 필터 누설 시험(스캔 테스트)으로 관리한다.

사람은 가장 크고 변동이 심한 발생원이다. 피부는 하루에 상당한 양의 각질을 떨어뜨리고, 옷감은 움직일 때마다 섬유 조각을 문질러 낸다. 사람 한 명이 내는 0.5 µm 이상 입자 수는 움직임에 따라 백 배 가까이 달라진다. 아래 표는 교재와 업계 자료에 자주 인용되는 크기 순서(일반 작업복 기준)다. 측정 조건과 의복에 따라 자료마다 몇 배씩 차이가 나므로 자릿수만 보자.

동작(일반 작업복)	≥0.5 µm 입자/분 (약)	비고
가만히 앉거나 서 있음	~1 × 10⁵	호흡·미세한 움직임
팔·머리를 움직임	~5 × 10⁵	팔꿈치·어깨 마찰
천천히 걷기(약 3.6 km/h)	~5 × 10⁶	발걸음마다 의복이 펌프처럼 공기를 밀어냄
빨리 걷기·계단	~1 × 10⁷	정지 상태의 약 100배

표 2-2. 사람의 입자 발생량 크기 순서(교육용 대략값). 전신 방진복(커버올·후드·부츠·마스크)을 제대로 입으면 발생량이 대략 수십 분의 1 이하로 줄어든다고 보고된다. 의복 재질, 세탁 횟수, 착용 방법에 따라 차이가 크다.

장비와 반송계는 움직이는 부품이 있는 곳마다 입자를 만든다. 로봇 팔의 베어링, 공압 실린더의 실, 밸브의 개폐, FOUP 도어를 여닫는 순간의 마찰이 대표적이다. 그래서 장비 안의 웨이퍼 경로는 EFEM 위에 별도의 FFU를 달아 하향류를 만들고, 구동부는 웨이퍼 아래쪽에 두거나 흡입 배기로 감싼다. 공정 자체도 발생원이다. 증착 장비의 챔버 벽에 쌓인 막이 열 응력으로 갈라져 떨어지는 플레이크, 식각 부산물의 재증착, 습식 세정 후 건조 얼룩 같은 것들은 공기가 아니라 장비 안에서 웨이퍼에 바로 붙는다. 이런 결함은 클린룸 공조보다 장비 PM(정기 세정)과 시즈닝으로 관리한다.

공기 중 입자 vs 공정 입자오늘날 첨단 팹에서 측정되는 웨이퍼 결함의 대부분은 공기 중에서 떨어진 입자가 아니라 장비와 공정 안에서 생긴 것으로 알려져 있다. FOUP과 미니인바이런먼트 덕분에 웨이퍼가 볼룸 공기를 거의 만나지 않기 때문이다. 그렇다고 클린룸 청정도가 덜 중요해진 것은 아니다. 볼룸 공기는 EFEM FFU의 입구 공기이고, 장비 PM을 할 때 챔버 내부가 볼룸 공기에 열린다. 클린룸은 “웨이퍼 주변 청정도의 바닥”을 깔아 주는 역할로 바뀌었다.

단방향 기류와 비단방향 기류

방 안에서 생긴 입자를 내보내는 방법은 두 가지다. 하나는 깨끗한 공기를 충분히 불어 넣어 섞은 뒤 일부를 빼내는 비단방향 기류(non-unidirectional airflow, 난류·혼합 방식)다. 입자 농도는 “희석”으로 낮아진다. 다른 하나는 천장 전체에서 바닥 전체로 공기를 평행한 피스톤처럼 밀어 내리는 단방향 기류(unidirectional airflow, 옛 이름은 층류 laminar flow)다. 입자는 생기자마자 아래로 쓸려 내려가 바닥으로 빠진다. 섞이지 않으니 발생원의 옆이나 위쪽은 오염되지 않는다.

그림 2-5. 비단방향(왼쪽)과 단방향(오른쪽) 기류. 단방향 기류에서 발생원 바로 아래만 오염되고, 옆에 놓인 웨이퍼는 깨끗하게 유지된다. 대신 천장 전체를 필터로 덮고 막대한 공기를 돌려야 하므로 에너지가 많이 든다.

단방향 기류의 전통적 설계 풍속은 0.45 m/s(90 ft/min) ± 20 % 정도였다. 이 속도는 사람의 동작이나 장비의 열 상승기류가 만드는 국소 교란을 이기면서도, 공기를 지나치게 많이 쓰지 않는 타협점이다. 요즘은 에너지를 줄이려고 0.3~0.4 m/s로 낮추는 경우가 많다. 너무 느리면 장비 위의 열 기둥이나 사람의 팔 동작이 기류를 거꾸로 밀어 올려 입자가 위로 퍼지고, 너무 빠르면 장비 모서리에서 와류가 커지고 팬 동력이 풍속의 세제곱에 가깝게 늘어난다.

단방향 기류도 장애물 뒤에서는 깨진다. 장비 위 평평한 면, 작업대, 사람의 몸통 아래에는 공기가 거의 움직이지 않는 정체 구역과 소용돌이가 생긴다. 이것이 웨이퍼를 사람보다 위에, 발생원보다 상류(위쪽)에 두라는 규칙의 이유이고, 작업대를 타공판으로 만드는 이유다. 아래 시뮬레이터는 같은 발생원을 두 기류 방식에 넣고 입자가 어떻게 퍼지는지, 웨이퍼에 몇 개가 닿는지 센다.

SIMULATOR

기류 방식과 입자 궤적 (2D 단면)

기류 방식

하향 풍속 / 공급 속도 발생률 난류 강도 유속 화살표

공중 입자 수—

평균 체류 시간—

웨이퍼 도달(누적)—

도달 확률—

단면 폭 6 m, 높이 3 m. 붉은 점이 발생원(작업자 손 높이)에서 나온 입자, 초록 막대가 옆 작업대 위의 웨이퍼다. 해볼 것: ① 단방향에서는 입자가 거의 수직으로 떨어져 웨이퍼 도달 확률이 0에 가깝다. ② 비단방향으로 바꾸면 두 개의 큰 와류가 입자를 방 전체로 돌려 체류 시간이 길어지고 웨이퍼에 닿는 입자가 생긴다. ③ 단방향에서 풍속을 0.15 m/s 이하로 낮추고 난류 강도를 올려 보자. 하향류가 교란을 못 이기면 입자가 옆으로 퍼진다. 유동장은 해석적 모델(균일류 + 와류 셀 + 무작위 확산)로 근사했다.

FFU, 풍속, 환기 횟수

단방향 기류를 만드는 장치가 FFU(Fan Filter Unit)다. 1200 × 600 mm 또는 1200 × 1200 mm 크기의 상자 안에 팬(요즘은 효율이 좋은 EC 모터)과 ULPA 필터가 함께 들어 있고, 천장 그리드에 타일처럼 끼운다. 천장 위 플레넘(공기 저장 공간)의 공기를 빨아 필터로 걸러 아래로 불어 낸다. 필터는 HEPA/ULPA(High Efficiency / Ultra Low Penetration Air filter)로, 유럽 규격 EN 1822(현재 ISO 29463과 병행)에서 H14는 MPPS 기준 99.995 % 이상, U15는 99.9995 % 이상, U16은 99.99995 % 이상을 거른다.

그림 2-6. 클린룸 공기 한 바퀴(개념 단면). FFU가 플레넘 공기를 걸러 내려보내면 공기는 타공 바닥을 지나 서브팹으로 빠지고, 양옆 리턴 샤프트의 건식 냉각코일(DCC)에서 장비 열을 내려놓은 뒤 다시 플레넘으로 올라간다. 외기조화기(MAU)는 배기로 빠진 만큼만 새 공기를 보충한다. 온도·습도·압력 제어는 3장에서 다룬다.

클린룸 공기량을 말할 때 가장 많이 쓰는 지표가 환기 횟수(ACH, Air Changes per Hour)다. 한 시간 동안 방 부피의 몇 배에 해당하는 공기가 공급되는지를 뜻한다. 단방향 기류에서는 FFU 커버리지(천장 중 FFU가 차지하는 비율)와 면 풍속으로 공기량을 계산한다.

$$Q = A_\text{floor}\,\phi\,v_\text{face},\qquad \text{ACH} = \frac{3600\,Q}{A_\text{floor}\,H} = \frac{3600\,\phi\,v_\text{face}}{H},\qquad N_\text{FFU} = \frac{\phi A_\text{floor}}{A_\text{FFU}}$$

여기서 $Q$는 공급 공기량(m³/s), $\phi$는 FFU 커버리지(0~1), $v_\text{face}$는 FFU 면 풍속(m/s), $H$는 천장 높이(m)다. 예: 커버리지 100 %, 0.4 m/s, 높이 4 m이면 ACH = 3600 × 0.4 / 4 = 360회/h. 공기가 10초마다 통째로 바뀐다.

ACH와 등급의 관계는 설계 지침서마다 범위로 제시된다. 자주 인용되는 대략값은 ISO 8이 10~25회/h, ISO 7이 30~70회/h, ISO 6이 70~160회/h, ISO 5가 240~480회/h(단방향) 정도다. 다만 ACH는 결과가 아니라 수단일 뿐이다. 입자 농도는 발생량과 공기량의 비로 정해지므로(7절), 사람과 장비가 적은 방은 더 적은 공기로도 같은 등급을 얻는다. 최근에는 측정 기반으로 공기량을 줄이는 수요 제어가 에너지 절감 수단으로 쓰인다.

FFU 팬이 이기는 압력은 대부분 필터 저항이다. ULPA 필터의 압력 손실은 0.45 m/s에서 대략 100~150 Pa이고, 필터 매체 안의 흐름이 층류라 풍속에 거의 비례한다. 여기에 FFU 자체·바닥·리턴 경로 저항이 더해진다. 팬 동력은 $P = Q\,\Delta P/\eta$이므로, 풍속을 낮추면 $Q$와 $\Delta P$가 함께 줄어 동력은 풍속의 대략 2~3제곱으로 줄어든다.

SIMULATOR

FFU 커버리지·풍속·환기 횟수 계산기

바닥 면적 천장 높이 H FFU 커버리지 φ 면 풍속 v

FFU 크기

프리셋

공급량 Q—

환기 횟수—

FFU 대수—

방 평균 하향 속도—

FFU 팬 동력(합)—

통상 범위—

위 그림은 천장 그리드(평면도)로 FFU 배치를, 아래 막대는 로그 눈금의 ACH와 등급별 통상 범위를 보여 준다. 팬 동력은 필터 압력 손실 $\Delta P_f = 120\,(v/0.45)$ Pa(층류, 풍속 비례) + 기타 $40\,(v/0.45)^2$ Pa, 팬·모터 종합 효율 45 %로 가정했다(교육용). 해볼 것: 풍속을 0.45 → 0.3 m/s로 낮추면 공기량은 2/3로, 팬 동력은 약 40 % 수준으로 줄어든다.

FAB-E의 FFU공정층 60,000 m² 가운데 평균 FFU 커버리지를 약 50 %, 면 풍속 0.4 m/s로 가정하면 공급량은 60,000 × 0.5 × 0.4 = 12,000 m³/s, 즉 시간당 약 4,300만 m³다. 1200 × 1200 mm FFU로는 약 21,000대, 1200 × 600 mm로는 약 42,000대가 필요하다. 전압 200 Pa, 효율 50 %를 가정하면 팬 동력은 약 4.8 MW, 연간 약 42 GWh로 FAB-E 전력(연 1.8 TWh)의 약 2~3 %다. 커버리지와 풍속 가정에 따라 이 값은 두 배 이상 달라진다.

3D로 보는 클린룸 한 구간

그림 2-6의 공기 순환을 3차원으로 돌려 보자. 아래 모델은 폭 12 m, 깊이 6 m짜리 클린룸 한 구간이다. 천장 플레넘에 FFU 그리드가 깔려 있고, 공정층에는 장비 두 줄과 작업자가 있다. 바닥은 타공 패널이고, 그 아래 서브팹을 지난 공기는 양옆 리턴 샤프트로 올라가 건식 냉각코일(DCC)을 거쳐 플레넘으로 돌아간다. 파란 점은 공기 덩어리, 붉은 점은 작업자 주변에서 생긴 입자다. FFU 커버리지와 풍속을 바꾸면 점의 속도와 FFU 배치, 환기 횟수가 함께 바뀐다.

클린룸 구간의 공기·입자 순환

드래그 회전 · 휠/핀치 확대

FFU 커버리지

면 풍속 애니메이션 속도

구간 공급량—

환기 횟수—

FFU 대수(1.2×1.5 m 타일)—

천장→바닥 통과 시간—

해볼 것: ① 커버리지를 25 %로 낮추면 FFU가 장비 줄 위(베이)에만 남고 나머지 천장은 막힌다. 공급량과 환기 횟수가 1/4로 줄고, FFU가 없는 통로 쪽에서는 하향류가 약해진다(이 모델에서는 FFU 아래 공기만 표시). ② 붉은 입자는 작업자 위치에서 생겨 하향류를 타고 바닥으로 빠진 뒤 리턴 경로를 지나 FFU의 ULPA에서 걸러진다(필터 통과 후 사라짐). ③ 풍속을 0.6 m/s로 올리면 천장에서 바닥(높이 4 m)까지 약 7초면 지나간다. 치수와 속도 비율은 교육용 단순화다.

희석 모델: 정상상태 농도와 회복 시간

비단방향 기류의 방을 “잘 섞인 상자”로 보면 입자 수지를 한 줄로 쓸 수 있다. 방 부피 $V$ 안의 입자 수 변화 = 발생량 − 공기가 들고 나가는 양이다. 공급 공기는 ULPA를 지나 깨끗하다고 둔다.

$$V\frac{dC}{dt} = G - \varepsilon Q\,C\quad\Rightarrow\quad C_\text{ss} = \frac{G}{\varepsilon Q},\qquad C(t) = C_\text{ss} + (C_0 - C_\text{ss})\,e^{-t/\tau},\ \ \tau = \frac{V}{\varepsilon Q} = \frac{1}{\varepsilon\cdot\text{ACH}}$$

여기서 $C$는 입자 농도(개/m³), $G$는 방 안 발생량(개/min), $Q$는 공급(=배출) 공기량(m³/min), $\varepsilon$은 환기 효율(완전 혼합이면 1, 공기가 지름길로 빠지면 1보다 작다), $C_0$는 초기 농도다. 시간 상수 $\tau$는 환기 횟수에 반비례한다.

이 식에서 두 가지가 바로 읽힌다. 첫째, 정상상태 농도는 발생량에 비례하고 공기량에 반비례한다. 사람 수를 절반으로 줄이는 것과 공기량을 두 배로 늘리는 것이 같은 효과다. 공기를 두 배 돌리면 팬 동력은 몇 배로 늘지만, 사람을 줄이거나 방진복을 제대로 입히는 데는 전기가 들지 않는다. 둘째, 문이 열리거나 장비 PM으로 입자가 확 늘었을 때 원래대로 돌아오는 속도는 $\tau$가 정한다. ISO 14644-3은 이를 회복 시험(recovery test)으로 재며, 농도가 1/100로 떨어지는 시간 $t_{0.01} = \tau\ln 100 \approx 4.6\,\tau$를 흔히 쓴다.

SIMULATOR

정상상태 농도와 100:1 회복 시간

방 면적 (높이 3 m) 환기 횟수 ACH 환기 효율 ε 작업자 수

의복

동작

장비·기타 발생

시작 조건

총 발생량 G (≥0.5 µm)—

정상상태 C_ss—

상당 ISO 등급—

시간 상수 τ—

100:1 회복 시간—

사람 기여 비율—

해볼 것: ① 의복을 “전신 방진복 → 일반 작업복”으로 바꾸고 동작을 “걷기”로 하면 같은 방이 몇 등급 나빠지는가? ② ACH를 두 배로 올렸을 때와 작업자를 절반으로 줄였을 때 C_ss가 같아지는지 확인하자. ③ ACH 20에서 100:1 회복 시간이 ISO 14644-3 회복 시험에서 흔히 기대하는 15~20분 이내인지 보자. 사람 발생량은 표 2-2의 크기 순서, 의복 계수(가운 0.3, 방진복 0.03)는 교육용 가정이다. 상당 ISO 등급은 0.5 µm 농도로 환산했다. 단방향 기류 구역은 잘 섞인 상자가 아니므로 이 모델의 적용 대상이 아니다.

손계산 확인면적 500 m² × 높이 3 m = 1,500 m³, ACH 30이면 $Q$ = 45,000 m³/h = 750 m³/min, ε = 0.7로 유효 공기량 525 m³/min이다. 방진복을 입고 손작업하는 6명(6 × 5×10⁵ × 0.03 = 9×10⁴ 개/min)과 장비 2×10⁵ 개/min을 더하면 $G$ ≈ 2.9×10⁵ 개/min, $C_\text{ss}$ ≈ 550 개/m³(≥0.5 µm)다. 0.1 µm 기준으로 환산하면 550 × 5^2.08 ≈ 1.6×10⁴ → ISO 4.2 상당이다. $\tau = 1/(0.7 \times 30)$ h ≈ 2.9분, 100:1 회복은 약 13분이다.

볼룸, 베이-체이스, 미니인바이런먼트

클린룸의 평면 구성은 1980년대 이후 세 단계를 거쳤다. 초기에는 공정 장비가 놓인 베이(bay)만 깨끗하게 하고, 장비 뒤편의 유지보수 공간인 체이스(chase, 서비스 구역)는 덜 깨끗하게 두는 베이-체이스 방식이 주류였다. 장비는 벽을 관통해 앞면만 베이에 내밀고, 배관과 펌프는 체이스 쪽에 두었다. 공기는 비싼 베이에만 쏟으면 된다.

300 mm 시대에 들어서는 방 전체를 하나의 큰 공간으로 트는 볼룸(ballroom)이 일반화되었다. 장비 배치를 자유롭게 바꿀 수 있고, 천장 반송(OHT) 레일을 거침없이 깔 수 있기 때문이다. 대신 방 전체를 깨끗하게 유지하려면 공기량이 커진다. 이 모순을 푼 것이 미니인바이런먼트(mini-environment)다. 웨이퍼는 밀폐 용기 FOUP(Front Opening Unified Pod) 안에서만 이동하고, 장비 앞면의 EFEM(Equipment Front End Module)이 자기 FFU로 ISO 1~3급 하향류를 만든 상태에서 FOUP 문을 연다. 웨이퍼가 사람이 있는 공기와 만나는 순간이 사라지니, 볼룸 자체는 ISO 5~6 정도로 느슨하게 해도 된다. FOUP과 로드포트의 인터페이스는 SEMI 표준(E47.1, E62 등)으로 정해져 있고, FOUP 안의 분자 오염과 질소 퍼지는 4장에서 다룬다.

그림 2-7. 세 가지 구성(평면 개념도). 색이 진할수록 깨끗한 구역이다. 미니인바이런먼트는 “방을 깨끗하게”에서 “웨이퍼 주변만 깨끗하게”로 발상을 바꿔, 청정도는 높이고 공기량은 줄였다.

항목	베이-체이스	볼룸 전면 고청정	볼룸 + 미니인바이런먼트
웨이퍼 주변 청정도	베이 공기 수준(ISO 4~5)	방 공기 수준(ISO 3~4)	EFEM·FOUP(ISO 1~3), 방과 분리
FFU 커버리지(대략)	베이 ~100 %, 체이스 ~10~25 %	~100 %	~25~50 % + EFEM FFU
배치 유연성	낮음(벽 이전 공사)	높음	높음
사람의 영향	큼(베이에서 작업)	큼	작음(웨이퍼가 FOUP 안)
자동 반송	제한적	OHT 자유 배치	OHT + 로드포트 표준화

표 2-3. 클린룸 구성 비교(교육용 일반화). 실제 팹은 노광 구역처럼 특별한 곳에 높은 커버리지를 두는 혼합형이 많다.

SIMULATOR

구성별 공기량과 팬 에너지 비교

공정층 면적 면 풍속 전압 (0.45 m/s 기준) 팬·모터 효율 베이 면적 비율 미니인바이런먼트 볼룸 커버리지

볼룸 전면—

베이-체이스—

미니인바이런먼트—

전면 대비 절감—

계산: 공기량 $Q = A\sum_i f_i\phi_i v$, 압력 $\Delta P(v) = \Delta P_{0.45}[0.6(v/0.45) + 0.4(v/0.45)^2]$, 팬 동력 $P = Q\Delta P/\eta$, 연간 에너지 = P × 8,760 h. 베이-체이스의 체이스 커버리지 20 %, 미니인바이런먼트의 EFEM은 장비 1대/40 m², 대당 0.6 m³/s로 가정했다(교육용). 막대 위 숫자는 MW, 괄호는 연간 GWh다. 해볼 것: 면 풍속을 0.3 m/s로 낮추는 것과 볼룸 커버리지를 30 → 20 %로 줄이는 것 중 어느 쪽이 더 큰가?

방진복과 에어샤워: 사람을 포장하기

사람을 클린룸에서 뺄 수 없다면 사람을 포장해야 한다. 방진복(cleanroom garment, bunny suit)은 피부와 옷에서 나오는 입자를 가두는 필터 역할을 한다. 재질은 보풀이 거의 없는 폴리에스터 장섬유 직물에 정전기 방지용 도전성 탄소 섬유를 격자로 짜 넣은 것이 일반적이다. 첨단 팹의 표준 복장은 후드·마스크·커버올(상하 일체형)·부츠·장갑(이중)이고, 경우에 따라 보안경을 쓴다. 옷의 이음매와 소매·발목 여밈이 새는 곳이 되므로, 착용 순서를 정해 위에서 아래로 입고 바닥에 옷이 닿지 않게 한다.

그림 2-8. 클린룸 입실 동선(일반화된 예). 구역이 바뀔 때마다 청정도와 압력이 한 단계씩 올라간다(실간 차압은 3장). 순서와 세부 규칙은 팹마다 다르다.

에어샤워(air shower)는 고속 노즐 공기로 옷 표면의 큰 입자와 섬유를 털어 내는 작은 방이다. 양쪽 문이 동시에 열리지 않도록 인터록이 걸려 있어 일종의 에어록 역할도 한다. 다만 에어샤워가 제거하는 것은 주로 옷 표면에 느슨하게 붙은 수 µm 이상의 입자이고, 옷 안에서 계속 새어 나오는 미세 입자에는 효과가 제한적이라는 연구도 있다. 결국 가장 큰 효과는 올바른 착용과 행동에서 나온다. 뛰지 않기, 웨이퍼·장비 개구부 위로 몸을 숙이지 않기, 하향류의 상류(위쪽)에 손을 두지 않기, 마스크 밖으로 말하지 않기 같은 규칙은 모두 희석 모델의 $G$를 줄이는 행동이다.

“사람이 가장 큰 오염원”은 지금도 사실인가FOUP·EFEM이 웨이퍼를 사람으로부터 떼어 놓은 뒤, 사람이 웨이퍼에 직접 결함을 만드는 경로는 크게 줄었다. 그러나 볼룸 농도(EFEM FFU의 입구 공기), 장비 PM 중 열린 챔버, 수작업 FOUP 취급, 그리고 피부에서 나오는 나트륨·칼륨 같은 금속 이온과 유기물(4장의 분자 오염)은 여전히 사람에게서 나온다. 방진복 규정이 느슨해지지 않는 이유다.

FAB-E의 입실 관리FAB-E는 교대마다 수백 명이 드나드는 것으로 가정한다. 갱의실과 에어샤워를 통과하는 데 한 사람당 몇 분씩 걸리므로, 교대 시간대에는 갱의실 혼잡도와 에어샤워 대수가 실제 병목이 된다. 방진복은 오염도 관리를 위해 전용 세탁(클린룸 세탁 공장)과 정해진 교체 주기를 거친다. 인원 수, 동선, 방진복 수량도 인프라 설계 입력값이다.

입자는 어떻게 웨이퍼에 내려앉는가

공기 중 농도가 같아도 실제로 웨이퍼에 붙는 입자 수는 크기에 따라 크게 다르다. 표면 1 m²에 단위 시간당 붙는 입자 수를 공기 중 농도로 나눈 값을 침착 속도(deposition velocity) $v_\text{dep}$라 한다. 웨이퍼 한 장에 붙는 입자 수는 다음과 같다.

$$N_\text{dep} = \int v_\text{dep}(d)\;\left|\frac{dC(\ge d)}{dd}\right|\,\mathrm{d}d\;\times A_\text{wafer}\times t$$

여기서 $C(\ge d)$는 크기 $d$ 이상 입자 농도(ISO 분포 $10^N(0.1/d)^{2.08}$을 가정), $A_\text{wafer}$는 웨이퍼 면적(300 mm에서 0.0707 m²), $t$는 노출 시간이다.

그림 2-9. 웨이퍼 표면 침착 메커니즘. 큰 입자는 중력 침강, 작은 입자는 브라운 확산으로 표면에 닿고, 그 사이(약 0.1~1 µm)에서는 둘 다 약해 침착 속도가 가장 작다. 웨이퍼가 대전되어 있으면 작은 입자도 전기력으로 크게 끌려온다. 관성 충돌은 웨이퍼 가장자리나 빠른 반송 중에만 의미가 있다.

각 메커니즘의 속도는 입자 역학의 기본식으로 구할 수 있다. 지름 $d$가 공기 분자의 평균 자유 행로(약 0.066 µm)와 비슷해지면 공기가 연속체처럼 굴지 않아 항력이 줄어드는데, 이를 커닝햄 보정 계수 $C_c$로 반영한다.

$$v_s = \frac{\rho_p d^2 g\,C_c}{18\mu},\qquad D_B = \frac{k_B T\,C_c}{3\pi\mu d},\qquad v_\text{diff} \approx 0.664\,\frac{D_B}{L}\,\mathrm{Re}^{1/2}\,\mathrm{Sc}^{1/3},\qquad v_e = \frac{n e E\,C_c}{3\pi\mu d}$$

$C_c = 1 + \mathrm{Kn}\,[1.257 + 0.4\,e^{-1.1/\mathrm{Kn}}]$, $\mathrm{Kn} = 2\lambda/d$. $\rho_p$는 입자 밀도, $\mu$는 공기 점성(1.81×10⁻⁵ Pa·s), $L$은 웨이퍼 지름, $\mathrm{Re} = UL/\nu$, $\mathrm{Sc} = \nu/D_B$, $n$은 입자 전하 수, $E$는 웨이퍼 근처 전기장이다. 확산 항은 평판 경계층 물질전달 상관식을 빌린 근사이고, 세 항을 더해 전체 침착 속도로 본다(교육용).

SIMULATOR

입자 침착 속도와 웨이퍼당 침착 수

공기 등급 ISO N 노출 시간 관심 최소 크기 하향 풍속 U 웨이퍼 근처 전기장

웨이퍼 방향

입자 밀도

v_dep @ 최소 크기—

v_dep 최소점—

웨이퍼당 침착 수—

시간당 침착률—

Stokes 수 (10 µm)—

해볼 것: ① 전기장 0에서 곡선은 0.1~0.5 µm 부근에서 최소가 된다. 이 크기 대가 가장 붙기 어렵다. ② ISO 5 공기에 웨이퍼를 한 시간 노출하면 0.1 µm 이상 입자가 몇 개 붙는가? ISO 3으로 낮추면 100분의 1이 된다. 웨이퍼를 볼룸 공기에 내놓지 않는 이유다. ③ 전기장을 수백 V/cm로 올리면(대전된 웨이퍼·FOUP) 작은 입자의 침착 속도가 수십~수백 배로 뛴다. 이오나이저로 정전기를 없애는 이유다(12장). ④ 웨이퍼를 수직으로 세우면 큰 입자의 침강이 사라진다. 입자 전하는 1개로 가정했다.

Stokes 수와 관성입자가 유선을 따라갈지 벗어날지는 Stokes 수 $\mathrm{Stk} = \rho_p d^2 C_c U/(18\mu L)$가 정한다. Stk ≪ 1이면 입자는 공기를 그대로 따라간다. 하향류 0.4 m/s 속 300 mm 웨이퍼에서 10 µm 입자의 Stk는 10⁻⁴ 정도로, 관성 충돌은 무시할 만하다. 관성이 중요해지는 것은 고속 노즐(에어샤워, 질소 블로우), 빠르게 움직이는 로봇 핸드 주변, 날카로운 모서리처럼 특성 길이 $L$이 mm 수준으로 작아지는 곳이다.

핵심 정리

킬러 결함 크기는 대략 최소 선폭(반피치)의 절반 이상이다. 결함 수가 크기의 −p승(p ≈ 2~3)으로 늘어나므로 선폭이 절반이 되면 같은 청정도에서 킬러 결함이 약 4배 이상 늘고, 수율 $Y = e^{-AD}$가 깎인다.
ISO 14644-1:2015 등급식은 $C_n = 10^N(0.1/D)^{2.08}$개/m³이다. ISO N은 “0.1 µm 이상 10^N개/m³”, ISO 5 ≈ 구 Fed-Std-209E Class 100(0.5 µm 이상 100개/ft³)이다. 등급은 as-built·at-rest·operational 상태와 함께 말한다.
공급 공기는 ULPA로 걸러져 깨끗하므로 클린룸 입자는 방 안에서 생긴다. 사람(걷기 시 ~10⁶~10⁷개/분, 일반 작업복), 장비 구동부, 공정 부산물, 반송, 문틈 침투가 주요 발생원이다.
단방향 기류(0.3~0.5 m/s 하향 피스톤류)는 입자를 생기자마자 바닥으로 쓸어 내고, 비단방향 기류는 혼합 희석으로 농도를 낮춘다. 공기량은 $Q = A\phi v$, 환기 횟수는 $3600\phi v/H$다.
잘 섞인 방의 정상상태 농도는 $C = G/(\varepsilon Q)$, 회복 시간 상수는 $\tau = 1/(\varepsilon\cdot\text{ACH})$, 100:1 회복 시간은 약 4.6τ다. 발생량을 줄이는 것은 공기량을 늘리는 것과 같은 효과를 에너지 없이 낸다.
볼룸 + 미니인바이런먼트(FOUP·EFEM)는 웨이퍼 주변만 ISO 1~3으로 만들고 방은 ISO 5~6으로 두어, 청정도는 높이고 FFU 공기량과 팬 에너지는 크게 줄였다.
침착 속도는 큰 입자에서 침강, 작은 입자에서 확산이 지배하며 0.1~0.5 µm 부근에서 최소다. 웨이퍼가 대전되면 정전기 끌림이 작은 입자 침착을 수십 배 이상 키운다.

확인 퀴즈

1. ISO 14644-1 등급식으로 ISO 6 클린룸의 0.5 µm 이상 입자 농도 한도는 약 얼마인가?

$C = 10^6 \times (0.1/0.5)^{2.08} = 10^6 / 5^{2.08} \approx 10^6/28.5 \approx 35{,}200$개/m³. 1,000,000은 0.1 µm 기준값이고, 352,000은 ISO 7의 0.5 µm 한도다.

2. 구 Fed-Std-209E의 Class 100에 해당하는 ISO 등급은?

209E는 0.5 µm 이상 입자 수/ft³를 등급 이름으로 썼다. ISO 5의 0.5 µm 한도 3,520개/m³ ÷ 35.31 ft³/m³ ≈ 100개/ft³이므로 Class 100 ≈ ISO 5다.

3. 최소 반피치가 40 nm에서 20 nm로 줄었다. 결함 크기 분포 지수 p = 2.08이고 킬러 크기가 반피치의 절반이라면, 같은 청정도에서 킬러 결함 밀도는 약 몇 배가 되는가?

킬러 크기가 20 nm → 10 nm로 절반이 되므로 $D(\ge d) \propto d^{-2.08}$에서 $2^{2.08} \approx 4.2$배가 된다. 수율 $e^{-AD}$의 지수가 4배 이상 커진다.

4. 바닥 면적 1,000 m², 높이 4 m인 방의 천장을 FFU로 50 % 덮고 면 풍속 0.4 m/s로 운전한다. 환기 횟수는?

ACH = 3600 φ v / H = 3600 × 0.5 × 0.4 / 4 = 180회/h. 면적은 약분되어 사라진다. 커버리지 100 %라면 360회/h다.

5. 잘 섞인 방에서 사람 수를 그대로 두고 환기 횟수를 2배로 늘렸다. 정상상태 농도와 100:1 회복 시간은 각각 어떻게 되는가?

$C_\text{ss} = G/(\varepsilon Q)$이므로 Q가 2배면 농도는 1/2, $\tau = V/(\varepsilon Q)$도 1/2이 되어 회복 시간 $4.6\tau$도 1/2이 된다. 같은 농도 효과는 발생량 G를 절반으로 줄여도 얻을 수 있다.

6. 하향류 속 수평 웨이퍼에서 입자 침착 속도가 가장 작은 크기 범위는?

작은 입자는 브라운 확산(크기가 작을수록 빠름), 큰 입자는 중력 침강(d²에 비례)이 침착을 지배한다. 둘 다 약한 0.1~0.5 µm 부근에서 침착 속도가 최소다. 공교롭게도 필터의 MPPS와 비슷한 크기대다.

7. 첨단 팹이 방 전체를 ISO 3으로 만드는 대신 “볼룸 ISO 5~6 + FOUP·EFEM”을 택한 가장 큰 이유는?

공기량은 깨끗하게 만들 면적에 비례한다. 웨이퍼 주변의 작은 부피만 ISO 1~3으로 만들면 방 전체 FFU 커버리지를 25~50 %로 낮출 수 있다. 사람은 여전히 입자를 만들지만 웨이퍼와 분리된다.

8. ISO 3을 0.5 µm 크기로 분류할 때 위치당 최소 시료량 $V_s = 20/C_{n,m} \times 1000$ L는 약 얼마인가?

ISO 3의 0.5 µm 한도는 $1000/28.5 \approx 35$개/m³이다. $V_s = 20/35 \times 1000 \approx 570$ L로, 28.3 L/min 계수기로 약 20분이 걸린다. 깨끗한 등급일수록 큰 입자로 분류하기 어렵다.