Chapter 06

가스 공급

팹에서 부피로 가장 많이 흐르는 것은 물이 아니라 질소다. 교육용 기준 팹 FAB-E는 시간당 약 6만 Nm³의 질소를 쓰는데, 이는 축구장 크기 공간을 10 m 높이로 매시간 채우는 양이다. 그 옆에서 실란, 삼불화질소, 포스핀 같은 특수가스는 분당 수 리터씩만 흐르지만 한 방울의 불순물도 허용되지 않는다. 이 장은 공기에서 질소를 뽑아내는 극저온 증류탑부터, 실린더 하나를 장비 챔버까지 연결하는 가스 캐비닛·밸브 매니폴드 박스·전해연마 이중관까지, 가스가 팹에 공급되는 길을 따라간다. 가스가 새면 무엇이 위험하고 어떻게 감지·대응하는지는 14장에서 따로 다룬다.

벌크 가스와 특수가스를 용도·공급 방식·저장 상태(압축·액화·흡착)로 구분할 수 있다.
공기분리장치(ASU)의 이중 증류탑이 왜 고압탑과 저압탑으로 나뉘는지 끓는점과 압력의 관계로 설명할 수 있다.
순도 표기(5N~9N)를 ppm·ppb로 바꾸고, ppb 불순물이 웨이퍼 표면에 단분자층을 만드는 시간을 추정할 수 있다.
가스 캐비닛 → VMB → 장비로 이어지는 특수가스 공급 계통과 EP 스테인리스·오비탈 용접·이중관의 역할을 설명할 수 있다.
Darcy–Weisbach 식으로 가스 배관의 압력 강하와 유속을 계산하고 관경을 고를 수 있다.
압축가스와 액화가스 실린더의 잔량·교체 주기를 계산하고, 가압-배기 퍼지 횟수를 구할 수 있다.

팹이 쓰는 가스의 지도

팹의 가스는 크게 두 무리로 나뉜다. 벌크 가스(bulk gas)는 질소·산소·아르곤·수소·헬륨·이산화탄소처럼 많은 양을 배관망으로 공급하는 가스다. 팹 전체 가스 부피의 대부분을 차지하고, 현장 플랜트나 대형 저장 탱크에서 메인 배관(헤더)을 통해 수백~수천 개의 사용처로 나간다. 특수가스(specialty gas, electronic specialty gas)는 실란(SiH₄), 삼불화질소(NF₃), 육불화텅스텐(WF₆), 암모니아, 염소, 브롬화수소, 도펀트 가스(포스핀·아르신·디보레인)처럼 공정 반응에 직접 참여하는 가스다. 쓰는 양은 분당 수십 cc~수 리터로 작지만 하나하나가 독성·자연발화성·부식성 중 하나 이상을 갖고, 순도 사양이 불순물 종류별로 ppb 단위까지 정해진다.

두 무리의 차이는 공급 방식에 그대로 드러난다. 벌크 가스는 양과 연속성이 문제다. 질소가 1분만 끊겨도 수천 개의 퍼지·밀봉·공압 기능이 동시에 멈춘다. 특수가스는 순도와 봉쇄가 문제다. 실린더를 바꿀 때 공기가 한 번 들어가면 수분이 ppb 단위로 남아 공정을 망치고, 배관이 한 번 새면 사람이 다친다. 그래서 특수가스는 실린더 단위로 환기되는 금속 함(gas cabinet)에 넣고, 이중관으로 장비 근처까지 보낸 뒤 밸브 매니폴드 박스에서 나눠 준다.

그림 6-1. 팹 가스의 분류. 벌크 가스는 부피의 대부분을 차지하지만 대개 불활성이거나 위험이 상대적으로 단순하고, 특수가스는 양이 작은 대신 공정 기능을 직접 결정하며 독성·자연발화성·부식성을 가진 경우가 많다. 아래 두 막대는 개념도이며 비율은 정확한 값이 아니다.

벌크 가스	주요 용도	공급 방식 (전형)	사용처 순도 (대략)
질소 N₂	장비·배관 퍼지, FOUP·EFEM 퍼지(4장), 펌프 희석, 캐리어 가스, 공압 대체	현장 공기분리장치(ASU) + 액체질소(LN₂) 백업 탱크	정제 후 불순물(O₂·H₂O·CO 등) 각각 ppb 이하
산소 O₂	열산화, 애싱, 오존 발생, 연소식 스크러버	ASU 부산물 또는 액체산소 탱크	5N~6N, 정제 후 ppb급
아르곤 Ar	PVD 스퍼터링, 플라즈마 희석, 어닐 분위기	액체아르곤 탱크 + 기화기 (ASU 부산물)	6N 안팎, 정제 후 ppb급
수소 H₂	어닐·환원, 에피 캐리어, EUV 광원 챔버 오염 방지	튜브 트레일러, 파이프라인, 현장 생산(개질·전해)	6N~7N, 정제 후 ppb급
헬륨 He	정전척 웨이퍼 후면 냉각, 리크 검사, 일부 공정 희석	튜브 트레일러·액체헬륨 용기	6N 안팎
이산화탄소 CO₂	초순수에 녹여 비저항을 낮춰 세정 중 정전기 방전 방지	액화 CO₂ 탱크 + 기화기	5N 안팎

특수가스	주요 용도	용기 안 상태 (약 20 °C)	주 위험 (→ 14장)
SiH₄ 실란	Si·SiO₂·SiN 증착, 에피	압축가스 (임계 온도 약 −3 °C)	자연발화성
NF₃ 삼불화질소	CVD 챔버 원격 플라즈마 클리닝	압축가스	산화성·독성, 높은 GWP(8장)
WF₆ 육불화텅스텐	텅스텐 CVD (콘택·배선 플러그)	액화가스, 증기압 약 1 bar(a) (끓는점 약 17 °C)	부식성 (수분과 반응해 HF 생성)
NH₃ 암모니아	질화막 증착, 질화	액화가스, 증기압 약 8.6 bar(a)	독성·부식성, 가연성
Cl₂ 염소	금속·폴리실리콘 식각	액화가스, 증기압 약 6.8 bar(a)	독성·부식성·산화성
HBr 브롬화수소	폴리실리콘·게이트 식각	액화가스, 증기압 약 22 bar(a)	독성·부식성
PH₃ · AsH₃ · B₂H₆	n형·p형 도핑 (이온주입·에피)	흡착형 저압 용기(대기압 이하) 또는 희석 혼합가스	극독성, 일부 자연발화성
CF₄ · C₄F₈ · CHF₃	산화막·질화막 식각	CF₄는 압축, C₄F₈은 액화	질식, 높은 GWP

증기압은 20 °C 부근의 대략값이다. 실제 충전량·충전 압력·용기 규격은 공급사 사양과 각국 고압가스 법규를 따른다. 위험 특성의 상세와 노출 기준은 14장에서 다룬다.

FAB-E의 가스 수요

FAB-E는 질소를 약 60,000 Nm³/h(노멀 입방미터: 0 °C·1 atm 기준 부피) 쓰며, 이는 현장 공기분리장치가 공급한다. 월 100,000장 투입 기준으로 바꾸면 웨이퍼 한 장당 $60{,}000 \times 720 / 100{,}000 \approx 430\ \text{Nm}^3$이다. 산소·아르곤·수소·헬륨은 합쳐도 질소의 수 % 수준이고, 특수가스는 종류가 수십 가지이지만 대부분 kg/일 단위다. 가장 많이 쓰는 특수가스는 대개 챔버 클리닝용 NF₃이며, 이 장 마지막 시뮬레이터에서 FAB-E의 NF₃ 소비량을 추정한다. 모든 값은 교육용 가정이다.

공기분리장치: 공기를 얼려서 질소를 뽑는다

공기는 부피로 질소 약 78.08 %, 산소 약 20.95 %, 아르곤 약 0.93 %, 그리고 CO₂·네온·헬륨·크립톤·제논이 미량 섞인 혼합물이다. 대규모로 질소를 얻는 가장 경제적인 방법은 공기를 영하 약 180 °C까지 식혀 액화한 뒤 끓는점 차이로 나누는 극저온 증류(cryogenic distillation)다. 이 설비를 공기분리장치(ASU, Air Separation Unit)라고 한다. 대기압에서 질소는 약 77.4 K(−195.8 °C), 아르곤은 약 87.3 K, 산소는 약 90.2 K에서 끓는다. 질소가 가장 휘발성이 커서 증류탑 위로 올라가고, 산소는 아래에 고인다.

그림 6-2. 질소 생산용 공기분리장치의 개략 흐름. 압축한 공기에서 수분과 CO₂를 흡착 정제기로 먼저 제거하고(얼면 열교환기를 막는다), 주 열교환기에서 나가는 차가운 제품과 열을 주고받아 액화점 근처까지 식힌다. 고압탑 위의 질소 증기가 응축·재비기에서 저압탑 바닥의 액체 산소를 끓이면서 자신은 응축해 두 탑의 환류가 된다. 운전 압력과 구성은 플랜트마다 다르며 그림의 값은 대략적인 예다.

두 탑을 왜 다른 압력으로 돌리나

증류에는 위에서 내려오는 액체(reflux)와 아래에서 올라가는 증기(boil-up)가 둘 다 필요하다. 탑 꼭대기에서는 질소를 응축해야 하고 탑 바닥에서는 산소를 끓여야 한다. 그런데 같은 압력에서는 질소의 응축 온도(77 K)가 산소의 끓는 온도(90 K)보다 낮으므로, 질소를 식힐 냉매로 산소를 쓸 수 없다. 해법은 압력을 달리하는 것이다. 끓는점은 압력이 높을수록 올라가므로, 고압탑(약 5~6 bar)의 질소는 약 96 K에서 응축하고 저압탑(약 1.3 bar)의 산소는 약 93 K에서 끓는다. 이제 질소가 산소보다 몇 K 따뜻해져 하나의 열교환기(condenser-reboiler)에서 질소는 응축하고 산소는 끓는다. 이것이 1900년대 초 칼 폰 린데(Carl von Linde)가 고안한 이중탑의 핵심이다. 압력에 따른 끓는점은 클라우지우스-클라페이롱 식으로 근사한다.

$$\ln\frac{P}{P_0} = -\frac{\Delta H_{\text{vap}}}{R}\left(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_b}\right)\quad\Longrightarrow\quad T(P) = \left(\frac{1}{T_b} - \frac{R\,\ln(P/P_0)}{\Delta H_{\text{vap}}}\right)^{-1}$$

$T_b$: 1 atm($P_0$)에서의 끓는점, $\Delta H_{\text{vap}}$: 몰 증발열(N₂ 약 5.57, Ar 약 6.43, O₂ 약 6.82 kJ/mol), $R$ = 8.314 J/(mol·K). 증발열을 상수로 본 근사이므로 수 bar 범위에서 1 K 안팎의 오차가 있다.

SIMULATOR

이중 증류탑 압력 설계: 질소가 산소를 끓일 수 있나

고압탑 압력 저압탑 압력 응축·재비기 최소 온도차

고압탑 N₂ 응축 온도—

저압탑 O₂ 끓는 온도—

온도 여유—

상대 휘발도 N₂/O₂ (저압탑)—

공기 압축 일 (등온, 효율 70 %)—

—

해볼 것: ① 고압탑 압력을 5.5 bar에서 천천히 내려 보자. 약 4.5 bar 아래에서 질소 응축 온도가 산소 끓는 온도보다 낮아져 이중탑이 성립하지 않는다. ② 저압탑 압력을 올리면 산소가 더 높은 온도에서 끓으므로 고압탑도 따라 올려야 하고, 그만큼 압축 일이 커진다. ③ 상대 휘발도는 저압일수록 커서 분리가 쉽다. 저압탑을 대기압 가까이 두는 이유다. 끓는점은 클라우지우스-클라페이롱 근사이며 실제 설계는 혼합물의 기액 평형을 쓴다.

질소 플랜트의 물질 수지와 전력

질소만 필요한 팹용 플랜트는 산소를 제품으로 뽑지 않고 폐가스로 버리는 대신 질소 회수율을 높인다. 들어간 공기 가운데 제품 질소로 나오는 비율을 $r$이라 하면 필요한 공기량은 $\dot V_{\text{air}} = \dot V_{\text{N}_2}/r$이고, $r$은 공기 중 질소 분율 0.78을 넘을 수 없다. 전력은 대부분 주 공기 압축기가 먹으며, 제품 질소 1 Nm³당 약 0.2~0.35 kWh가 흔히 인용되는 범위다(제품 압력·순도·플랜트 규모에 따라 다름, 교육용 범위). ASU가 멈추면 팹은 액체질소 탱크의 기화기로 버틴다. 액체질소 1 m³(약 808 kg)는 기화하면 약 646 Nm³의 질소가 된다.

$$\dot V_{\text{air}} = \frac{\dot V_{\text{N}_2}}{r},\qquad P_{\text{ASU}} = e\,\dot V_{\text{N}_2},\qquad t_{\text{backup}} = \frac{646\,V_{\text{LN}_2}\,\phi}{\dot V_{\text{N}_2}}$$

$r$: 질소 회수율(제품 N₂ / 공기, ≤ 0.78), $e$: 비에너지(kWh/Nm³), $V_{\text{LN}_2}$: 액체질소 탱크 용량(m³), $\phi$: 탱크의 사용 가능 비율(충전률 × 사용 가능 분율).

SIMULATOR

FAB-E 질소 수지 · 전력 · 백업 시간

팹 규모

질소 수요 질소 회수율 r (제품/공기) 비에너지 e LN₂ 백업 탱크 용량 탱크 사용 가능 비율 φ

필요 공기량—

ASU 전력—

팹 평균 전력(200 MW) 대비

연간 전력량—

웨이퍼당 N₂ (100k WSPM)—

LN₂ 백업 시간—

—

해볼 것: ① FAB-E 프리셋에서 ASU 전력이 팹 전체 전력의 몇 %인지 보자. 질소는 “공짜 공기”에서 나오지만 전기로 산다. ② 회수율을 0.4에서 0.7로 올리면 압축할 공기가 줄어든다. 실제로는 회수율을 높이려면 탑과 열교환기가 커져 설비비가 늘어나는 트레이드오프가 있다. ③ ASU 정비(계획 정지)가 수일 걸린다면 백업 탱크가 몇 m³ 필요한지 거꾸로 구해 보자. 실제 팹은 ASU를 여러 대로 나누고(N+1), 외부 LN₂ 탱크로리 보충을 함께 계획한다.

질소는 왜 이렇게 많이 쓰나

공정 반응에 질소가 직접 들어가는 경우는 많지 않다. 대부분은 보이지 않는 보조 역할이다. 진공 펌프에 흘려 반응 부산물을 희석하고 응축을 막는 펌프 퍼지, 장비 내부와 가스 라인의 퍼지, FOUP·EFEM·로드포트를 채워 수분과 산소를 몰아내는 미니인바이런먼트 퍼지(4장), 배기 덕트 희석, 웨트 장비의 건조와 블로잉이 모두 질소를 쓴다. 한 장비가 쓰는 양은 작지만 1,500대가 하루 24시간 쓰므로 합이 커진다. 질소 절감은 곧 ASU 전력 절감이므로 최근 팹은 장비 대기 상태의 퍼지 유량을 줄이는 “아이들 모드” 관리를 한다.

순도: 5N에서 9N까지

가스 순도는 흔히 9의 개수로 표기한다. 5N은 99.999 %, 즉 불순물 총합이 10 ppm 이하라는 뜻이다. 한 단계 올라갈 때마다 불순물이 10분의 1로 준다. 6N은 1 ppm, 7N은 100 ppb, 9N은 1 ppb다. 그러나 반도체용 가스 사양서는 “몇 N”보다 불순물 종류별 상한을 더 중시한다. 질소라면 O₂, H₂O, CO, CO₂, H₂, 총탄화수소(THC)를 각각 ppb 단위로, 특수가스라면 수분·금속·특정 반응성 불순물을 따로 정한다. 같은 99.9999 %라도 남은 1 ppm이 아르곤이면 무해하지만 수분이면 치명적이기 때문이다.

$$x_{\text{imp}} = 10^{-n}\ (\text{몰분율}),\qquad 1\ \text{ppm} = 10^{-6},\quad 1\ \text{ppb} = 10^{-9},\quad 1\ \text{ppt} = 10^{-12}$$

$n$: 9의 개수(“nN”). 가스의 ppm·ppb는 보통 몰(부피) 기준(ppmv, ppbv)이며, 액체 케미컬의 질량 기준 ppb·ppt(7장)와 혼동하지 않는다.

그림 6-3. 순도 표기와 ppm·ppb의 대응. 한 칸이 10배다. 공급된 벌크 가스는 사용처 직전의 정제기를 거쳐 O₂·H₂O 같은 반응성 불순물을 각각 ppb 이하(일부는 ppt급)로 낮춘다. 특수가스는 화합물 자체를 만들기 어려워 총 순도는 5N~6N급이 많지만 수분·금속 같은 핵심 불순물은 별도로 낮게 관리한다. 위치는 대략적인 범위다.

ppb가 왜 중요한가: 단분자층 형성 시간

1 ppb는 아주 작아 보이지만 기체 분자는 표면을 엄청난 빈도로 두드린다. 기체 운동론에 따르면 분압 $p$인 분자가 단위 면적에 부딪히는 빈도(헤르츠-크누센 플럭스)는 다음과 같다. 실리콘 표면 원자 밀도는 약 $10^{15}\ \text{cm}^{-2}$이므로, 부딪힌 분자가 부착 확률 $s$로 붙는다면 한 층을 덮는 시간을 계산할 수 있다.

$$\Phi = \frac{p}{\sqrt{2\pi m k_B T}},\qquad p = x_{\text{imp}}\,P_{\text{total}},\qquad t_{\text{ML}} = \frac{N_s}{s\,\Phi}$$

$\Phi$: 충돌 플럭스(분자/(m²·s)), $m$: 분자 질량, $N_s \approx 10^{19}\ \text{m}^{-2}$(= $10^{15}\ \text{cm}^{-2}$): 단분자층 밀도, $s$: 부착 확률(0~1). 대기압 1 ppb 수분이면 $\Phi \approx 3.7\times10^{18}\ \text{m}^{-2}\text{s}^{-1}$이고 $s=1$일 때 약 3초 만에 한 층이 덮인다. 대기압에서는 실제로 표면 근처의 확산이 속도를 제한하므로 이 값은 상한(가장 빠른 경우)이다.

SIMULATOR

불순물 ppb와 단분자층 형성 시간

불순물

불순물 농도 전체 압력 부착 확률 s 노출 시간

순도 표기—

불순물 분압—

충돌 플럭스—

단분자층 시간 t_ML—

노출 시간 동안 덮임—

—

해볼 것: ① 대기압, 1 ppb, s = 1로 두면 단분자층 시간이 몇 초에 불과하다. ② 압력을 공정 챔버 수준(수십~수백 Pa)으로 낮추면 같은 ppb에서도 플럭스가 수천 배 줄어든다. 진공 공정이 순도에 더 너그러운 것은 아니다. 대신 노출 시간이 길고 표면이 반응성이 높아 s가 크다. ③ 수분은 금속 배관 벽에 강하게 붙었다가 천천히 떨어진다. 그래서 배관을 대기에 한 번 노출하면 ppb 수분으로 돌아오는 데 수 시간~수일의 퍼지가 걸린다. 덮임 비율은 단순히 노출 시간/t_ML로 계산하며 1(한 층)에서 포화시켰다. 탈착과 확산 제한은 무시한 상한 추정이다.

정제기: 사용처 직전의 마지막 관문

가스 공급사가 보증하는 순도는 출하 시점의 값이다. 실린더 밸브, 배관 벽, 밸브 시트, 필터가 모두 수분과 입자를 내놓으므로 장비 입구에서 순도는 나빠지기 쉽다. 그래서 팹은 벌크 가스 메인 라인과 민감한 장비 앞에 정제기(purifier)를 둔다.

게터식(가열 금속): 지르코늄 합금 같은 반응성 금속을 수백 °C로 가열해 O₂·H₂O·CO·CO₂·N₂(불활성 가스 정제 시)를 화학 결합으로 붙잡는다. 아르곤·헬륨 정제에 쓰며 ppt급까지 낮출 수 있지만 수명이 정해져 있다.
촉매·흡착식(상온): 니켈 촉매와 분자체 흡착재로 O₂와 H₂O를 제거한다. 질소·수소·산소 정제에 흔하고, 두 베드를 번갈아 재생하는 대용량형은 메인 라인에 쓴다.
특수가스용 흡착 정제기: NH₃, HCl, HBr 같은 반응성 가스의 수분을 제거하는 전용 흡착재를 쓴다. 가스와 흡착재의 화학적 호환이 핵심이다.
필터: 정제기 뒤에 0.003 µm(3 nm)급 정격의 금속(니켈·스테인리스) 또는 PTFE 막 필터를 두어 입자를 거른다. 입자 제거 효율은 9N급(LRV 9) 수준이 요구되기도 한다.

정제기는 고장도 조용하다

흡착재가 포화되면 정제기 출구의 불순물이 서서히 오른다(파과). 파과는 경보음 없이 일어나므로 출구 쪽 수분·산소 분석기(예: 공동 감쇠 분광 CRDS, APIMS)로 감시하거나 교체 주기를 보수적으로 잡는다. 파과 곡선의 모양과 수명 계산은 4장 케미컬 필터와 같은 원리다.

공급 계통: 야드에서 장비 챔버까지

가스가 장비에 닿기까지의 길은 벌크와 특수가스가 다르다. 벌크 가스는 팹 밖 가스 야드(ASU, 액체 저장 탱크, 기화기, 튜브 트레일러 스테이션)에서 정제기를 거쳐 서브팹의 메인 헤더로 들어간다. 메인 헤더는 대개 고리(루프) 형태로 깔아 한쪽이 막혀도 반대쪽에서 공급되게 하고, 베이 단위 서브 헤더와 장비별 분기 밸브로 나뉜다. 분기마다 수동 차단 밸브, 압력 조절기, 사용처(POU, point of use) 필터가 붙는다.

특수가스는 별도의 가스 룸(또는 서브팹 가스 구역)에서 시작한다. 실린더 하나 또는 둘을 넣은 가스 캐비닛(gas cabinet)이 압력을 낮추고 퍼지·차단 기능을 수행한 뒤, 이중관으로 서브팹의 밸브 매니폴드 박스(VMB, Valve Manifold Box)에 보낸다. VMB는 한 줄의 공급을 여러 장비(보통 4~12개 분기)로 나누면서 분기마다 차단·퍼지 밸브를 둔다. 비독성 가스는 박스가 아닌 패널 형태의 VMP(Valve Manifold Panel)을 쓰기도 한다. 마지막으로 장비 안의 가스 박스에서 질량유량제어기(MFC, Mass Flow Controller)가 레시피 유량을 맞춰 챔버로 보낸다.

그림 6-4. 가스 공급 계통 개략도. 벌크 가스(굵은 선)는 가스 야드 → 메인 정제기 → 서브팹 메인 헤더 → 서브 헤더 → 장비로 흐른다. 특수가스는 가스 룸의 캐비닛에서 이중관으로 VMB까지 가서 장비별로 나뉜다. 캐비닛과 VMB는 모두 함 내부를 배기(점선)하고 가스 감지기를 단다. 층 배치는 팹마다 다르며 일부 특수가스 캐비닛은 서브팹에 바로 놓기도 한다.

구간	주요 부품	설계에서 따지는 것
가스 야드	ASU, 액체 탱크, 기화기(대기식·온수식), 튜브 트레일러 스테이션	공급 연속성(N+1, 백업 일수), 탱크로리 접근, 기화기 결빙
메인 정제기	이중 베드 정제기, 필터, 순도 분석기	재생 전환 중 순도 요동, 파과 감시
메인·서브 헤더	EP 316L 배관(대구경), 차단 밸브, 루프 구성	압력 강하, 유속, 미래 증설 여유, 데드 레그 최소화
가스 캐비닛	실린더, 공압 밸브, 레귤레이터, 압력계, 퍼지·진공 발생기, 과류 차단	실린더 교체 시 대기 유입 차단, 함 배기량, 자동 절체
VMB / VMP	분기 스틱(밸브·레귤레이터·압력계), 함 배기	분기 수, 분기별 독립 퍼지, 동시 사용률
장비 가스 박스	IGS(통합 가스 시스템) 블록, MFC, 최종 필터, 차단 밸브	MFC 정확도(설정값의 약 ±1 %), 응답 시간, 내부 용적

표면 실장형 가스 스틱

장비 가스 박스는 예전에는 튜브와 피팅을 이어 붙였지만, 지금은 밸브·MFC·필터·압력계를 금속 기판 블록 위에 아래쪽 C-씰로 볼트 고정하는 표면 실장형(IGS, Integrated Gas System)이 주류다. 부품을 개별 교체할 수 있고 내부 용적과 데드 레그가 작아 퍼지가 빠르다. 블록의 장착면 치수는 업계 표준(SEMI 규격 등)으로 맞춰 여러 제조사 부품을 섞어 쓸 수 있게 했다.

특수가스: 실린더와 가스 캐비닛

특수가스는 대부분 고압 실린더(흔히 내용적 약 47 L 전후의 강제 용기)로 들어온다. 사용량이 많은 가스는 수백 kg~수 톤을 담는 대형 용기(톤 컨테이너, ISO 튜브 트레일러)로 바꿔 교체 횟수를 줄이고, 극독성 도펀트는 반대로 용기 압력을 대기압 이하로 낮춘 흡착형 저압 용기(SDS, sub-atmospheric delivery)에 담는다. 다공성 흡착재에 가스를 붙잡아 두었다가 진공으로 끌어내는 방식이라, 밸브가 열려도 가스가 밖으로 밀려 나오지 않는다.

실린더를 담는 가스 캐비닛은 단순한 보관함이 아니다. 강판 함 안을 항상 배기해 새어 나온 가스를 덕트로 끌어가고, 내부 패널이 다음 기능을 자동으로 수행한다.

감압과 감시: 고압 실린더 압력을 레귤레이터로 공급 압력까지 낮추고, 고압·저압 측 압력 변환기로 잔량과 공급 상태를 본다.
퍼지: 실린더 교체 전후에 질소로 가압-배기를 반복해 배관 속 공정가스(교체 전)와 공기·수분(교체 후)을 몰아낸다. 배기 쪽에는 질소로 구동하는 벤투리 진공 발생기를 쓴다.
자동 절체: 실린더 두 개를 넣은 캐비닛은 한쪽 압력이나 무게가 설정값 아래로 떨어지면 다른 쪽으로 자동 전환해 공급을 끊지 않는다.
유량 제한과 차단: 실린더 밸브 안의 제한 오리피스(RFO), 과류 감지 스위치, 공압 차단 밸브가 배관 파손 시 방출을 제한하고 끊는다. 이 장치들의 설계 근거는 14장에서 계산한다.

그림 6-5. 단일 실린더 가스 캐비닛의 개략 계통. 공정가스는 실린더 밸브 → 피그테일 → 고압 차단(V1) → 레귤레이터 → 과류 차단 → 출구 밸브(V4)로 흐른다. 실린더를 바꿀 때는 V1을 닫고 퍼지 질소(V2)와 벤트(V3)를 번갈아 열어 피그테일 속 가스를 몰아낸다. 함 전체는 항상 배기되고 가스 감지기와 비상 차단이 제어기에 연동된다.

압축가스와 액화가스: 압력계가 거짓말을 할 때

실린더 잔량을 압력으로 읽을 수 있는지는 가스의 상태에 달려 있다. 상온이 임계 온도보다 높은 압축가스(N₂, Ar, NF₃, SiH₄ 등)는 실린더 안에 기체만 있으므로 압력이 남은 양에 거의 비례한다(이상기체 근사, 실제로는 압축 인자 $Z$로 보정). 반대로 상온에서 액체가 되는 액화가스(NH₃, Cl₂, HBr, WF₆ 등)는 액체가 남아 있는 한 압력이 그 온도의 증기압으로 일정하다. 압력계가 꽉 찬 실린더와 거의 빈 실린더를 구분하지 못하므로 액화가스는 저울로 무게를 달아 잔량을 본다.

그림 6-6. 압축가스와 액화가스 실린더. 압축가스는 압력이 남은 양을 알려 주지만, 액화가스는 액체가 남아 있는 동안 압력이 거의 일정하다가 마지막 몇 %에서 급히 떨어진다. 또 액화가스는 빠르게 뽑으면 증발열로 실린더가 식어 증기압이 낮아지므로, 유량이 큰 경우 실린더 히터 재킷이나 저울 기반 관리가 필요하다.

$$\text{압축: } V_N = V_{\text{cyl}}\,\frac{P_{\text{abs}}}{P_0}\,\frac{T_0}{T}\,\frac{1}{Z},\qquad \text{액화: } V_N = \frac{m}{M/22.414},\qquad t_{\text{교체}} = \frac{(1-h)\,V_N}{\dot V\,d}$$

$V_N$: 노멀 부피(Nm³), $V_{\text{cyl}}$: 실린더 내용적, $P_0$ = 1.013 bar, $T_0$ = 273.15 K, $m$: 충전 질량(kg), $M$: 몰질량(g/mol), $h$: 교체 시 남기는 잔량 비율(힐, heel), $\dot V$: 흐를 때의 유량, $d$: 가동률(시간 중 흐르는 비율). 기화 냉각은 $\Delta T \approx \dot m\,\Delta h_{\text{vap}}/(hA)$로 근사한다.

SIMULATOR

실린더 잔량 · 교체 주기 · 기화 냉각

가스

흐를 때 유량 가동률 (흐르는 시간 비율) 교체 시 남기는 잔량(힐) 실린더 히터 재킷 (온도 유지)

충전량—

사용 가능 가스—

하루 사용량—

교체 주기—

흐를 때 실린더 냉각 ΔT—

흐를 때 공급 압력—

—

해볼 것: ① NF₃와 NH₃를 번갈아 눌러 압력선(실선)과 잔량선(점선)의 관계를 비교하자. 압축가스는 두 선이 겹치고, 액화가스는 압력선이 끝까지 수평이다. ② NH₃ 유량을 5 slm 이상으로 올리면 증발열 때문에 실린더가 십여 K 식고 증기압이 크게 떨어진다. 히터 재킷을 켜서 차이를 보자. ③ 힐을 10 %에서 5 %로 줄이면 교체 주기가 늘지만, 액화가스는 끓는점이 높은 불순물(수분 등)이 마지막 액체에 농축되므로 너무 끝까지 쓰면 품질이 나빠진다. 충전량과 물성은 교육용 가정(47 L 용기, 압축가스는 Z = 1)이며, 열전달 계수는 hA = 10 W/K로 가정했다.

실린더 교체는 가장 위험한 순간이다

평소 가스 계통은 닫혀 있지만, 실린더 교체 때는 연결부를 열 수밖에 없다. 이때의 위험은 두 가지다. 교체 전 퍼지가 부족하면 피그테일에 남은 독성·자연발화성 가스가 작업자 쪽으로 나오고, 교체 후 퍼지가 부족하면 들어간 공기와 수분이 공정가스와 반응하거나(예: SiH₄ + O₂, WF₆·HBr·Cl₂ + H₂O) 배관을 부식시킨다. 그래서 교체 절차는 자동 퍼지 시퀀스 + 연결부 리크 검사 + 2인 확인으로 짠다. 몇 번 퍼지해야 하는지는 아래 퍼지 절에서 계산한다.

배관: 전해연마 스테인리스, 오비탈 용접, 이중관

ppb 순도의 가스를 수백 m 보내면서 순도를 지키려면 배관 자체가 오염원이 되지 않아야 한다. 반도체 가스 배관의 표준 재질은 316L 스테인리스강이다. 탄소가 낮아(L, low carbon) 용접부에 크롬 탄화물이 덜 생기고, 몰리브덴이 들어 있어 염화물 부식에 강하다. 고순도 등급은 여기에 진공 아크 재용해(VAR) 같은 2차 정련으로 개재물과 황을 더 낮춘 소재를 쓴다.

전해연마(EP, electropolishing): 관 안쪽을 전기화학적으로 녹여 표면 거칠기를 산술평균 $R_a$ 약 0.13~0.25 µm 이하로 낮춘다. 표면적이 줄어 수분 흡착과 입자 탈락이 적고, 표면에 크롬이 풍부한 얇은 부동태 산화막이 생겨 부식에 강하다. 일반 배관용 광휘소둔(BA) 관보다 비싸지만 특수가스와 고순도 벌크 라인에 쓴다.
오비탈 용접(orbital GTAW): 관을 맞대고 텅스텐 전극이 관 둘레를 자동으로 돌며 용가재 없이 녹여 붙인다. 관 안을 고순도 아르곤으로 채워(백 퍼지) 용접부 안쪽이 산화로 변색되지 않게 하고, 전류·회전 속도를 프로그램해 비드 폭을 일정하게 만든다. 용접 시편을 잘라 안쪽 비드와 변색 정도를 검사한다.
이중관(double containment, coaxial tubing): 독성·자연발화성 가스는 안쪽 공정관을 바깥관으로 한 번 더 감싼다. 두 관 사이 공간(애뉼러스)을 질소로 퍼지하거나 배기하면서 그 가스를 감지기로 감시하면, 안쪽 관이 새도 밖으로 나오기 전에 알 수 있다.
연결부 최소화: 나사식 피팅은 누설 지점이 되므로 가능한 한 용접하고, 분해가 필요한 곳은 금속 개스킷 면 실(VCR 형) 피팅을 쓴다. 데드 레그(유동이 없는 막힌 가지)는 퍼지가 안 되므로 관경의 몇 배 이하로 짧게 만든다.

그림 6-7. 고순도 가스 배관의 세 가지 요소. (a) 전해연마는 표면의 미세 요철을 깎아 수분과 입자가 붙을 면적을 줄인다. (b) 오비탈 용접은 관 안을 아르곤으로 채운 채 전극이 관 둘레를 자동으로 돌아 재현성 있는 용접부를 만든다. (c) 이중관은 안쪽 공정관과 바깥 봉쇄관 사이를 질소로 채우고 감시해 누설을 조기에 잡는다.

가스 계열	배관 (전형)	비고
벌크 N₂·Ar·He	316L EP 또는 BA, 대구경은 오비탈 용접	사용처 순도에 따라 EP/BA를 나눈다
H₂·O₂	316L EP	H₂는 누설·화재, O₂는 탈지(유분 제거)와 유속 제한에 주의
부식성 (Cl₂·HBr·HCl·WF₆)	316L EP(VAR 소재), 이중관	수분이 들어가면 산이 생겨 부식. 건조 유지가 핵심
자연발화성·독성 (SiH₄·PH₃·AsH₃)	316L EP, 이중관, 용접 연결 위주	애뉼러스 감시, 연결부 최소화
NF₃·ClF₃ (산화성)	316L EP, 금속 실	산화성 가스와 반응하는 유기 재료(일부 엘라스토머, 윤활유) 배제

배관 압력 강하: 관경은 어떻게 정하나

배관 설계의 첫 질문은 “이 유량을 이 거리만큼 보낼 때 장비 입구 압력이 충분한가”다. 관이 가늘면 재료와 설치비가 싸지만 유속이 빨라져 압력 강하와 소음, 입자 탈락 위험이 커진다. 관이 굵으면 반대로 비싸고 내부 표면적과 퍼지 시간이 늘어난다. 액체에서 배운 Darcy–Weisbach 식을 쓰되, 가스는 압력이 떨어지면 밀도도 떨어져 유속이 빨라지므로 압축성을 고려한다. 온도가 일정한(등온) 긴 관에서는 다음 식이 잘 맞는다.

$$\Delta P = f\,\frac{L}{D}\,\frac{\rho v^2}{2}\quad\xrightarrow{\text{등온 압축성}}\quad P_1^2 - P_2^2 = f\,\frac{L}{D}\,G^2\,\frac{RT}{M},\qquad G = \frac{\dot m}{A}$$

$f$: 다르시 마찰 계수, $L$: 등가 길이(밸브·엘보 포함), $D$: 내경, $G$: 질량 유속(kg/(m²·s)), $R/M$: 비기체상수. 레이놀즈수 $Re = 4\dot m/(\pi D \mu)$는 압력과 무관하다. 층류($Re<2300$)는 $f = 64/Re$, 난류는 Swamee–Jain 식 $f = 0.25\,/\left[\log_{10}\!\left(\frac{\varepsilon}{3.7D}+\frac{5.74}{Re^{0.9}}\right)\right]^2$을 쓴다. EP 관은 $\varepsilon$이 매우 작아($\sim$0.5 µm 가정) 매끈한 관에 가깝다.

SIMULATOR

가스 배관 압력 강하 계산기 (Darcy–Weisbach, 등온)

예시

가스

관 크기 (외경, EP 316L)

유량 등가 길이 L 입구 압력

레이놀즈수—

마찰 계수 f—

출구 압력—

압력 강하—

입구 / 출구 유속—

—

해볼 것: ① 서브 헤더 예시에서 관을 1″에서 3/4″로 한 단계 줄여 보자. 내경이 약 30 % 줄 뿐인데 압력 강하는 몇 배가 된다(난류에서 대략 $\Delta P \propto D^{-4.8}$). ② 같은 조건에서 N₂를 H₂로 바꾸면 질량 유량이 1/14로 줄어 압력 강하가 훨씬 작다. 그래서 수소 배관은 누설·안전 기준이 관경을 정하는 경우가 많다. ③ 입구 압력을 낮추면 같은 Nm³/h에서도 밀도가 낮아져 유속이 빨라지고 강하가 커진다. 그래프는 현재 관경·길이에서 유량을 바꿨을 때의 출구 압력이다. 판정 기준(압력 강하 공급 압력의 5 %·15 %, 유속 20 m/s)은 교육용 가정이다.

왜 $D^{-4.8}$인가

같은 질량 유량에서 유속은 $v \propto D^{-2}$이므로 $\rho v^2/2 \propto D^{-4}$, 여기에 $L/D$ 항이 $D^{-1}$을 더해 $D^{-5}$가 된다. 난류 매끈한 관에서는 $f \propto Re^{-0.2} \propto D^{0.2}$라서 최종적으로 $\Delta P \propto D^{-4.8}$이다. 관경을 한 단계(약 1.3~1.5배) 키우면 압력 강하가 3~7배 줄어든다는 뜻이다. 배관 설계에서 “미래 증설을 위해 한 치수 크게”가 흔한 이유이고, 반대로 데드 레그와 퍼지 시간을 생각하면 무작정 키울 수도 없다.

퍼지: 가압과 배기를 몇 번 반복해야 하나

가스 라인을 열기 전에는 안의 공정가스를, 연 뒤에는 들어간 공기와 수분을 없애야 한다. 막힌 배관은 그냥 흘려 보내기 어려우므로 가압-배기 퍼지(pressure-vent cycle purge)를 쓴다. 불활성 가스로 $P_H$까지 채운 뒤 $P_L$까지 빼면, 섞인 기체 가운데 $P_L/P_H$만 남는다. 이를 $n$번 반복하면 농도가 기하급수적으로 줄어든다.

$$C_n = C_0\,r^{\,n},\qquad r = 1 - \eta\left(1-\frac{P_L}{P_H}\right),\qquad n = \left\lceil \frac{\ln(C_{\text{target}}/C_0)}{\ln r} \right\rceil$$

$P_H, P_L$: 가압·배기 절대 압력, $\eta$: 혼합 효율(완전 혼합이면 1, 데드 레그나 층 분리가 있으면 작아짐). 예: $P_H$ = 6 bar(a), $P_L$ = 1 bar(a)(대기 배기), $\eta = 1$이면 $r = 1/6$이고, 100 % 공정가스를 1 ppm 이하로 낮추는 데 $\ln(10^{-6})/\ln(1/6) = 7.7$, 즉 8회가 필요하다. 진공 보조로 $P_L$ = 0.1 bar(a)까지 빼면 $r = 1/60$이라 4회면 된다.

그림 6-8. 가압-배기 퍼지. 위는 배관 압력, 아래는 남은 공정가스(또는 공기·수분) 농도의 로그 값이다. 사이클마다 농도가 같은 비율로 줄어 로그 눈금에서 일정한 계단이 된다. 실제로는 배관 벽에서 수분이 천천히 탈착하므로 수분은 이 식보다 훨씬 느리게 줄어든다.

SIMULATOR

퍼지 사이클 계산기

출발 상태

가압 압력 P_H 배기 압력 P_L 혼합 효율 η 목표 농도 사이클 1회 시간

사이클당 잔류비 r—

필요 사이클 수—

최종 농도—

총 퍼지 시간—

—

해볼 것: ① 기본값(6 bar → 대기 배기)에서 100 % 공정가스를 1 ppm으로 낮추는 데 몇 번이 드는지 보고, 배기 압력을 0.1 bar(벤투리 진공)로 낮춰 비교하자. ② 혼합 효율을 0.6으로 낮추면(데드 레그가 긴 배관) 사이클 수가 크게 늘어난다. 배관 설계 단계에서 데드 레그를 줄이는 것이 퍼지 시간을 줄이는 가장 싼 방법이다. ③ 배기 압력을 가압 압력보다 높게 둘 수는 없다. 이 경우 계산기는 배기 압력을 가압 압력의 95 %로 제한한다. 이 모델은 기상 희석만 다루며 벽면 수분 탈착은 포함하지 않는다.

가스 소비량: NF₃ 챔버 클리닝을 예로

CVD 장비는 웨이퍼에 막을 쌓을 때 챔버 벽과 샤워헤드에도 같은 막이 쌓인다. 이것이 두꺼워지면 벗겨져 입자가 되므로 주기적으로 챔버를 닦아야 하는데, 이때 쓰는 것이 원격 플라즈마 클리닝이다. 챔버 밖의 원격 플라즈마 소스(RPS)에서 NF₃를 분해해 만든 불소 라디칼이 챔버에 들어가 실리콘 화합물을 SiF₄ 같은 휘발성 기체로 바꿔 펌프로 뽑아낸다. 장비 수가 많고 웨이퍼 몇 장마다 한 번씩 클리닝하므로 NF₃는 많은 팹에서 사용량 1위의 특수가스다. 분해되지 않고 남은 NF₃는 온실가스이므로 스크러버(8장)와 탄소 회계(16장)로 이어진다.

$$m_{\text{NF}_3,\text{day}} = N_{\text{ch}}\cdot n_{\text{clean}}\cdot \dot V\,t_{\text{clean}}\cdot\frac{M_{\text{NF}_3}}{22.414},\qquad m_{\text{미분해}} = (1-u)\,m_{\text{NF}_3}$$

$N_{\text{ch}}$: 클리닝하는 챔버 수, $n_{\text{clean}}$: 챔버당 하루 클리닝 횟수, $\dot V$: NF₃ 유량(slm), $t_{\text{clean}}$: 1회 시간(분), $M_{\text{NF}_3}$ = 71.0 g/mol(1 slm·분 = 3.17 g), $u$: RPS 분해율. 예: 300 챔버 × 10회 × 3 slm × 4분 → 하루 약 114 kg.

SIMULATOR

FAB-E NF₃ 소비량과 공급 방식

클리닝 챔버 수 NF₃ 유량 1회 클리닝 시간 챔버당 하루 클리닝 횟수 RPS 분해율 u

1회 클리닝 NF₃—

하루 소비—

월 소비—

웨이퍼당 (100k WSPM)—

미분해 NF₃ (스크러버 전)—

—

해볼 것: ① 기본값에서 47 L 실린더(약 15 kg 가정)로 공급하면 하루 몇 번 교체해야 하는지 그래프에서 보자. 교체 한 번마다 퍼지·리크 검사·사람 작업이 따른다. ② 클리닝 시간을 4분에서 3분으로 줄이는 레시피 최적화가 월 몇 톤을 아끼는지 보자. ③ 분해율을 97 %에서 99 %로 올리면 미분해 NF₃가 1/3이 된다. 용기 용량(실린더 15 kg, 대용량 용기 500 kg, 튜브 트레일러 5 t)과 클리닝 조건은 교육용 가정이다.

공급 방식 고르기

소비량이 정해지면 공급 방식을 고른다. 실린더는 초기 투자가 작고 유연하지만 교체 빈도가 높아 사람 작업과 퍼지 횟수, 실린더 교체 중 사고 위험이 늘어난다. 대용량 용기나 튜브 트레일러는 교체가 드물고 순도가 안정되지만 전용 스테이션, 내진·방호 설비, 대량 누출을 가정한 비상 계획이 필요하다. 벌크 가스와 마찬가지로 “하루 몇 번 연결부를 여는가”가 안전과 품질의 핵심 지표다.

공급 방식	적합한 경우	장점	단점
실린더 (가스 캐비닛)	소량·다품종, 극독성 가스	투자 작음, 장비별 독립	교체 빈번, 교체마다 퍼지·리크 검사
대용량 용기 (톤 컨테이너, Y형 용기)	중대량 액화·압축 가스 (NH₃, HCl, NF₃ 등)	교체 횟수 감소, 순도 일관성	전용 스테이션, 누출 시 영향 범위 큼
튜브 트레일러 · ISO 용기	대량 압축가스 (H₂, He, NF₃, SiH₄ 일부)	교체가 몇 주에 한 번	야드 공간, 차량 동선, 방호벽
현장 생산 (on-site)	N₂(ASU), H₂(전해), 일부 F₂	운송·교체 없음	설비 투자, 운전 인력, 백업 필요

FAB-E 특수가스 운영의 숫자 감각

FAB-E 규모에서 특수가스 캐비닛은 수백 대, VMB 분기는 수천 개에 이른다고 가정한다. 하루 실린더 교체가 수십 건이라면 교체 작업마다 퍼지 8회 × 20초 정도의 자동 시퀀스가 돌고, 그때마다 연결부가 열린다. 사용량이 큰 NF₃·NH₃·N₂O 같은 가스를 대용량 공급으로 옮기면 교체 건수가 크게 줄어 운영 위험과 순도 요동이 함께 준다. 숫자는 교육용 가정이다.

가스 공급망은 지정학이다

노광 레이저에 쓰는 네온, 웨이퍼 후면 냉각과 리크 검사에 쓰는 헬륨, 식각용 불화 가스는 생산지가 몇몇 나라에 몰려 있다. 실제로 2022년 무렵 네온 공급 불안이 업계 이슈가 되었고, 헬륨은 천연가스 부산물이라 공급이 주기적으로 빠듯해진다. 팹은 공급사 다변화, 재고 일수 확대, 네온·헬륨 회수·재활용 설비로 대응한다. 산업 구조는 ChipIndustryBook(링크)을, 가스가 공정에서 하는 일은 ProcessBook(링크)과 EtchBook(링크)을 참고하자.

핵심 정리

팹 가스는 대량·연속성이 중요한 벌크 가스(N₂·O₂·Ar·H₂·He·CO₂)와 소량이지만 순도·봉쇄가 중요한 특수가스(SiH₄·NF₃·WF₆·NH₃·Cl₂·HBr·도펀트)로 나뉜다. 부피의 대부분은 질소다.
질소는 현장 공기분리장치의 극저온 증류로 만든다. 고압탑(약 5~6 bar)의 질소 응축 온도가 저압탑(약 1.3 bar)의 산소 끓는 온도보다 높아야 하나의 응축·재비기로 두 탑이 돌아간다. 전력은 제품 1 Nm³당 약 0.2~0.35 kWh이며 LN₂ 탱크가 백업이다.
순도 nN은 불순물 $10^{-n}$을 뜻하지만 사양은 불순물 종류별로 정한다. 대기압 1 ppb 수분도 부착 확률이 크면 몇 초~몇 분 만에 단분자층을 만들 수 있어, 사용처 직전에 정제기와 나노급 필터를 둔다.
특수가스는 가스 캐비닛(감압·퍼지·자동 절체·차단) → 이중관 → VMB(분기) → 장비 가스 박스(MFC)로 공급된다. 배관은 316L EP 스테인리스, 오비탈 용접, 금속 실 피팅으로 오염원을 줄인다.
배관 압력 강하는 등온 압축성 Darcy–Weisbach 식 $P_1^2-P_2^2 = f(L/D)G^2RT/M$으로 계산하고, 난류에서 $\Delta P \propto D^{-4.8}$이므로 관경 선택의 영향이 매우 크다.
압축가스는 압력이 잔량에 비례하지만 액화가스는 증기압으로 일정해 무게로 관리한다. 큰 유량은 증발열로 실린더를 식혀 공급 압력을 떨어뜨린다.
가압-배기 퍼지는 사이클마다 농도를 $r = 1-\eta(1-P_L/P_H)$배로 줄인다. 진공 보조와 짧은 데드 레그가 퍼지 횟수를 크게 줄인다.
NF₃ 같은 클리닝 가스는 챔버 수 × 횟수 × 유량 × 시간으로 소비량을 추정하고, 소비량이 커지면 대용량 공급으로 연결부 개방 횟수를 줄인다. 가스가 샜을 때의 위험과 대응은 14장에서 다룬다.

확인 퀴즈

1. 공기분리장치의 고압탑을 약 5~6 bar로 운전하는 가장 직접적인 이유는?

같은 압력에서는 질소(77 K)가 산소(90 K)보다 차가워 질소를 산소로 응축시킬 수 없다. 고압탑 질소는 약 96 K에서 응축하고 저압탑 산소는 약 93 K에서 끓으므로 질소가 산소를 끓이고 자신은 응축한다. 상대 휘발도는 오히려 압력이 낮을수록 크다. 수분·CO₂는 극저온부에 들어가기 전에 흡착 정제기로 제거한다.

2. 질소 순도 7N의 불순물 총량은?

7N = 99.99999 %이므로 불순물은 $10^{-7}$ = 0.1 ppm = 100 ppb다. 5N은 10 ppm, 6N은 1 ppm, 9N은 1 ppb다.

3. NH₃ 실린더의 압력계가 교체 직후와 같은 약 7.6 bar(g)를 가리킨다. 올바른 해석은?

액화가스는 액체가 남아 있는 한 압력이 그 온도의 증기압으로 일정하다. 압력은 거의 빈 상태에서야 떨어지므로 저울로 잔량을 관리한다. Z 보정은 압축가스에 해당한다.

4. 난류 영역의 가스 배관에서 같은 질량 유량을 보낼 때 내경을 2배로 키우면 압력 강하는 대략 어떻게 되는가? (압력 강하가 공급 압력에 비해 작다고 가정)

$\rho v^2/2 \propto D^{-4}$, $L/D$ 항이 $D^{-1}$, 매끈한 관 난류의 $f \propto Re^{-0.2} \propto D^{0.2}$를 합치면 $\Delta P \propto D^{-4.8}$이고 $2^{-4.8} \approx 1/28$이다.

5. 가압 6 bar(a), 배기 1 bar(a), 완전 혼합으로 퍼지할 때 100 % 실란을 1 ppm 이하로 낮추는 데 필요한 최소 사이클 수는?

$r = 1/6$, $n = \ln(10^{-6})/\ln(1/6) = 13.8/1.79 = 7.7$이므로 올림해서 8회다. 배기를 0.1 bar(a) 진공으로 하면 $r = 1/60$이라 4회로 줄어든다.

6. 독성 가스 배관에 이중관을 쓰는 주된 목적은?

이중관은 2차 봉쇄다. 두 관 사이를 질소로 퍼지·배기하면서 감지기로 감시하면 내관 누설이 작업 공간으로 나가기 전에 알아챌 수 있다. 감지·차단 연동은 14장에서 다룬다.

7. 300개 챔버가 하루 10번씩 NF₃ 3 slm으로 4분간 클리닝한다. 하루 NF₃ 소비량에 가장 가까운 값은? (NF₃ 1 slm·분 ≈ 3.17 g)

1회 = 3 slm × 4분 × 3.17 g ≈ 38 g. 하루 = 38 g × 10 × 300 ≈ 114 kg, 월 약 3.4 t이다. 47 L 실린더(약 15 kg 가정)라면 하루 7~8개를 바꿔야 하므로 대용량 공급을 검토하게 된다.

8. 대기압 공급 가스에 수분 1 ppb가 있을 때 기체 운동론으로 계산한 단분자층 형성 시간(부착 확률 1)이 수 초에 불과하다. 이 결과에서 옳은 결론은?

헤르츠-크누센 플럭스는 분압에 비례하고 대기압 1 ppb에서도 $\sim\!10^{18}\ \text{m}^{-2}\text{s}^{-1}$이다. 실제 오염 속도는 부착 확률과 확산 제한으로 더 느리지만, ppb가 무시할 양이 아니라는 결론은 같다. 그래서 순도 사양은 불순물 종류별로 정한다.