2015년 8월호  기획특집

 

반도체 제조 환경을 감지하는 계측기 ㈜두텍 마케팅팀

 

시장동향

초고정밀을 요하는 반도체의 특성 상 눈에 보이지 않는 작은 먼지나 온습도 조건의 변화 조차도 완제품 품질에 치명적인 결함을 일으킬 수 있다. 때문에 반도체 제조 공정에 있어 제조 제조 환경을 감지하는 계측기는 매우 중요한 요소라 할 수 있다.

 

반도체 제조 시설은 양압을 기본으로 한 클린룸 시스템이다. FFU(Fan Filter Unit)을 통해 정화된 외부공기가 부스 내로 유입되고 부스의 공기압을 대기압(1bar)보다 압력이 높은 양압(陽壓)으로 유지함으로써 클린룸 내의 미세먼지를 포함한 공기가 밖으로 빠져나가게 하는 구조이다. 이를 위해 내부의 먼지 농도를 정확히 측정해 관리함으로써 공기질(空氣質)을 적정 수준으로 관리해야 한다.

 

이와 더불어 반도체를 제조하는 설비는 많은 열을 발생시킨다. 이러한 열은 제품 품질에 치명적인 영향을 줄 수 있다. 따라서 일반 산업용 장비와 달리 더욱 정밀한 수치로 온습도를 관리할 필요가 있으며, 센서 전문업체에서도 대부분 반도체 설비용 고성능 제품군을 따로 마련하고 있다.

 

이렇듯 반도제 제조 시설에서는 필요에 따라 다양한 계측기가 이용된다. 그 중 대표적인 것이 차압 트랜스미터, 파티클 센서, 온습도 센서 등이다. 본 글에서는 두텍 센서, 트랜스미터 제품군을 중심으로 반도체 제조공정에서 사용되고 있는 주요 계측기를 살펴보고자 한다.

 

 

양압 유지를 위한 차압 트랜스미터

반도체 제조 시설을 비롯한 클린룸 부스는 기본적으로 양압을 유지하도록 관리된다. 특정 공간에양압이 형성되었다는 것은 같은 면적 대비 대기압 기준보다 많은 공기가 차 있다는 것을 의미한다. 내부 공정에서 발생한 미세먼지가 내부에 침착되지 않고 자은 틈새 등을 통해 밖으로 빠져나가게 하기 위한 방법인 것이다.

 

최근 메르스 코로나 바이러스로 이슈가 되었던 병원 시설 내 음압병동(陰壓病棟)과는 반대되는 개념이라 할 수 있다. 음압 부스의 대기압 대비 내부 공간의 공기 량이 더 적게 차 있기 때문에 내부의 공기가 밖으로 빠져나갈 수 없는 구조이다.  

 

외부에서 부스 내로 들어오는 공기는 모두 FFU를 통해 유입되게 된다. FFU는 말 그대로 팬과 필터가 결합된 공기 공급 장치로서 부스 공간의 압력을 외부보다 높게 유지하기 위해 쉬지 않고 작동된다. FFU의 성능에 문제가 있을 경우 내외부의 압력차에 변화가 생길 수 있는데 이를 통제하기 위해서는 외부와 부스의 공기압을 측정하며, 이 때 차압(差壓) 트랜스미터가 활용된다.

 

차압 트랜스미터에는 2개의 닛쁠이 장착되어 있으며, 각 닛쁠에는 실리콘 재질의 호스가 연결되어 있다. 두 호스는 부스 외부와 내부에 장착되어 각각의 기압을 측정해 그 차이를 수치로 환산해 준다. 이러한 압력 차이를 통해 FFU의 상태(동작 상태 및 필터 상태)를 확인할 수 있는 것이다.

 

DP100/200 시리즈는 클린룸/ 반도체 장비/ LCD장비/ 실험기기/ 필터 등의 미세차압 측정을 위한 정밀 차압 트랜스미터이다. CMOS 타입의 차압 센서를 탑재해 낮은 차압 범위에서 높은 정밀도와 분해능을 제공하는 것이 특징이다. DP100 시리즈는 최대 -500~500Pa의 압력 차를 분석할 수 있다. 압력 유지에 있어 센서의 신뢰성은 매우 중요한 부분으로 DP100/200 시리즈의 경우 자체 회로 내에 센서의 압력 보정과 온도 보상 기능을 넣어 장기적인 사용에 따른 편차 발생을 최소화해 신뢰성을 높였다.

사진 1. 미세차압 측정을 위한 정밀 차압 트랜스미터, DP200

 

HPX1000은 차압 트랜스미터에 온습도/노점 센서까지 더해진 매립 설치용 일체형 트랜스미터이다. 차압, 온도, 습도, 노점 4가지 측정값을 동시에 디스플레이할 수 있는 고해상도 그래픽 LCD와 다양한 디지털, 아날로그 출력 기능 등을 갖춰 클린룸 시설에 최적화된 제품이다.

사진 2. 매립 설치용 일체형 트랜스미터, HPX1000

 

공기질 관리를 위한 파트클 센서, 온습도 센서

반도체 생산 시설 관리에 있어 최고로 유의해야 할 점은 바로 공기의 질을 안정된 상태로 유지하는 것이다. 부스 안에서의 공기질은 먼지의 농도, 온도 및 습도가 주요한 지표로 사용된다. 우선 먼지의 경우를 생각해 보면 웨이퍼 가공부터 회로를 만드는 애칭 작업, 칩 연결 등 외형이 완성되기 이전 공정에서 작은 먼지 하나라도 유입된다면 그 제품은 정상적인 작동을 할 수 없다. 앞서 살펴 보았듯 부스를 양압으로 유지하는 이유가 바로 먼지 유입을 차단하기 위함이다.

 

클린룸 부스의 먼지 농도는 먼지 입자를 세는 단위인 Class[1]로 측정되며, 클린룸의 먼지 농도 관리 단위 또한 Class를 활용하게 된다. Class 1000으로 관리되는 부스의 경우 1ft³ 당 0.5㎛의 입자가 1000개 이하로 들어 있어야 한다는 것을 의미한다. 효율적인 관리를 위해 제조 공정에 따라 클린룸 부스 내에 소규모 클린룸을 추가로 설치해 보다 엄격한 Class로 관리하는 경우도 있다. 이 때 사용되는 계측기가 파티클(Particle) 센서이다. 파티클 센서 내부에는 레이저 다이오드를 이용한 광학 측정기가 장착되어 있어 내부로 유입되는 공기에서 산란되는 빛을 감지해 먼지 농도를 측정해낸다.

사진 3. 파티클, 온도, 습도를 동시에 측정할 수 있는 통합센서, PSU520 시리즈

 

PSU520 시리즈는 파티클, 온도, 습도를 동시에 측정할 수 있는 통합 센서로서 0.5㎛ 이상의 먼지를 실시간 측정할 수 있다. 작은 크기로 부스 내 다양한 위치에 설치할 수 있고 다중 포인트에서 측정된 데이터를 상위 모니터링 장비로 보내 부스 전체의 먼지 농도 및 온습도 정보를 관리할 수 있게 해 준다.

 

공기질 관리에 있어 또 한 가지 고려해야 할 점은 온도와 습도이다. 온습도가 절절하지 않은 경우 반도체 재료의 특성에 영향을 줄 우려가 있으며, 특히 습도가 높아지면 먼지의 침착력이 높아질 수 있다. 때문에 클린룸 부스 내 공기질 관리에 있어 먼지 농도와 온습도 관리는 매우 중요하다 할 수 있는 것이다. 부스 내 온습도 관리를 위한 트랜스미터로는 HTX62 시리즈가 대표적이며, 장착부 및 사용 환경 등에 따라 선택 사용할 수 있다. 이렇게 측정된 온습도 정보는 상위단 모니터링 장비로 보내져 항온항습기 운전의 기초 자료로 활용된다.

사진 4. 부스 내 온습도 관리를 위한 트랜스미터, HTX62 시리즈

 

 

제조 설비를 최상의 상태로 유지시켜 주는 온습도 센서

온습도 센서는 각 제조 장비의 온도 제어를 위해 개별적으로 장착되기도 한다. 민감한 반도체 제품의 품질을 안정적으로 관리하기 위해서는 일반 산업 설비 보다 훨씬 더 정밀한 온습도 제어가 필요하기 때문이다. 반도체 제조 과정에서 발생하는 열과 습도 변화는 제품 품질에 치병적 영향을 줄 수 있어 매우 높은 정밀도의 센서가 요구된다.

 

이러한 이유로 각 센서 제조사에서 반도체 시설용로 공급하는 제품의 경우 일반 산업용 제품 대비 측정 범위, 정밀도, 안정성 등이 모두 최상급에 속하는 제품군이라 할 수 있다. 두텍 HTP1100은 이러한 필요 조건을 만족하는 고정밀 프로브 타입 온습도/노점 트랜스미터이다. 폭넓은 측정범위(0 ~ 100%RH, -40 ~ 80°C)와 높은 신뢰성(0 ~ 60°C, ±0.2°C)으로 반도체, 제약, 기상 설비, 체임버 등에 최적화해 설계된 모델이다. 또한 각종 장비에 적용 가능하도록 다양한 출력(전압, 전류, 통신)을 지원하는 고성능 제품이다.

 

사진 5. 고정밀 프로브 타입 온습도/노점 트랜스미터, HTP1100

 

IP65 보호등급 메탈 재질의 소형 프로브 타입으로 커넥터 일체형 케이블을 갖춰 설치 및 교체가 편리하다. 반도체 제조 설비는 협소하거나 복잡한 구조로 되어 있는 경우가 많아 앞서 언급한 특징은 현장 적용 시 많은 이점을 제공한다.