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제목 |
한국 반도체 산업의 전망과 클린룸 기술 전망 |
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글쓴이 |
일우아이엔지 |
작성일 |
07-02-12 17:06:37 |
조회수 |
867 |
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한국 반도체 산업의 현황과 클린룸 기술 전망
Ⅰ. 머리말
20세기 중엽 반도체의 모태인 트랜지스터가 발명된 후 지속적으로 확장해오고 있는 반도체 시장은 시장점유를 위한 선진 각국·각사의 무한 기술경쟁으로 반도체 소자 기초기술은 물론 반도체 제조환경인 클린룸 관련 기술의 급속한 발전을 가져오게 되었다.
우리나라의 경우 1970년대 해외자본에 의한 국내 조립 생산단계, 1980년대 웨이퍼의 일관 생산체제 구축 및 메모리의 초기 양산단계를 거쳐 이제는 메모리 분야에 있어서는 세계의 최상위 수준에까지 올라 세계 최초로 256M DRAM 칩의 개발 및 1995년에는 IG DRAM 칩의 개발에 성공하였다.
이러한 반도체 산업에서 우리나라의 괄목할 성장은 최첨단 신기술의 연구개발에 대한 지속적이고 과감한 투자전략의 결과라 할 수 있으며, 이러한 연구 개발에 대한 투자는 세계 반도체 시장에서 우위를 점하기 위해서는 필수적인 것으로 반도체 자체에 대한 연구는 물론 이를 양산하는 데 있어 수율을 높이기 위한 초청정 기술개발에도 끊임없는 노력을 하여야 한다.
Ⅱ. 한국 반도체 산업의 현황
국내에 반도체 산업이 태동하기 시작한 것은 웨이퍼 가공이 시작되던 1970년대 중반부터이나 본격적으로는 삼성전자, 금성일렉트론, 현대전자 등 메모리 관련 업체들이 대량생산체제로 접어든 1980년대 하반기 부터이다. 국내 반도체 산업은 메모리, 특히 DRAM에 집중적인 투자와 지원을 한 결과 일본에 이어 세계 제2위의 DRAM 생산국이 되었고, 차세대 DRAM개발에 있어서도 적극적인 연구개발 투자와 기술력 향상으로 양국간의 개발 시기 격차가 점차 줄어들게 되었다.
1980년대에는 중화학 공업과 함께 반도체, 신소재, 생명공학과 같은 첨단 산업분야에 대기업이 경쟁적으로 참여하면서 이러한 분야의 연구시설이나 생산 공정에 클린룸 환경이 필요하게 되어 클린룸 건설시장이 갑자기 부상하게 되었다.
현재 국내 클린룸 관련 시장은 년간 2,000억원 정도로 추정되고 초청정 기술과 관련된 일부 특수한 기술을 제외하고는 설계, 시공, 제작 등의 거의 모든 클린룸 관련기술을 국내업체들이 습득하고 있으며, 대기업의 막대한 투자와 정부의 적극적인 지원에 의해 반도체 산업은 국가경제를 선도하는 핵심산업의 역할을 하고 있다.
클린룸 산업의 수요분야별 구성비는 전자공업분야 48%, 정밀공업분야 20%, 약품공업분야 14.8%, 의료분야 10.3%, 식품공업분야 5.5%, 기타 1.4%이고 이러한 구성비는 그다지 변하고 있지 않다. 클린룸 건설시장의 점유율은 공조위생설비업이 62%, 종합 건설업이 33% 정도로 추측되고 있으며 이중에서도 공조위생설비업의 점유율이 큰 것은 클린룸의 시공이 건물부문 보다도 공조중심의 공사로 되어 있으며, 청정도와 온·습도, 실내압력 등 청정기술을 중심으로 시행되고 있기 때문이다. 종합건설의 경우에도 공업용 클린룸이 61%, 바이오 클린룸 38%, 바이오 하자드 설비가 1%로 거의 수요분야 구성비와 유사한 경향을 나타내고 있지만 공조위생설비업에 있어서 바이오 클린룸의 점유비율은 해마다 증가되고 있다.
이러한 상황에서 시장전체를 전망해 볼 때 이후로도 클린룸 산업은 안정된 성장을 이룩할 수 있다고 예상된다. 클린룸 산업의 견인차 역할을 하고 있는 반도체에서는 고집적화가 진행되고 있어 이에 대응하여 클린룸 본체 등 관련설비기기에도 보다 고성능화가 요구될 것이다.
클린룸 산업과 밀접한 관련을 가지고 있는 반도체 산업의 특성을 나타내면 다음과 같다.
① 기술혁신 속도가 매우 빠르고, 부가가치가 높은 최첨단 산업이다.
② 대규모 설비투자가 소요되는 장치산업이다.
③ 전자 이외에도 자동차, 항공기 등 산업전반에 미치는 파급효과가 커 치열한 국제 경쟁시대의 핵심 산업이다.
④ 인적자원을 통해 국제경쟁력을 확보해야 하는 우리나라의 여건상 최적의 산업이다.
⑤ 짧은 제품의 라이프 싸이클로 인한 판매가격의 급락으로 인해 적기 시장선점이 매우 중요한 산업특징을 지닌다.
⑥ 투자에 따른 위험성도 높고 성장기회도 많은 사업이다.
⑦ 반도체 산업내의 기술개발 경쟁이 치열하여 국가경쟁력 확보 차원에서 정부의 개입도 강화되고 있을 뿐 만 아니라 업체간의 전략적 제휴도 증가하고 있는 추세이다.
Ⅲ. 향후 반도체 클린품의 전망
1. 전환기를 맞은 반도체 업계
현재 반도체 기술은 고집적화, 미세화 프로세스의 시대를 맞이하여 16M로부터 256M로 진행되어 1G까지도 개발되고 있는 시대이며 미세화는 하프 미크론부터 쿼터 미크론으로 이행되고 있다.
이에 따라 프로세스 기술과 제조장치가 능력의 한계에 직면하여 기술의 벽을 허물 변혁의 필요성이 대두되고 있다. 또한, 이 복잡한 프로세스를 종합적으로 관리하기 위해 프로세스 전체의 자동화도 금후 필수불가결하게 되고 있다.
이러한 배경을 바탕으로 0.01㎛레벨의 미립자 제어로부터 공기중의 가스오염물질의 ppb에서 ppt레벨까지의 제어가 제품 수율 향상을 위해 불가결하게 되어 이것에 부응할 클린룸 시스템이 필요하게 될 것이다.
또한, 반도체 업계는 반도체 공장의 1G레벨의 기술적인 면에서의 해결과 함께 경제적인 면에서의 해결방법이 보다 중요시 되어 보다 고도의 품질유지를 해나가면서 전체적인 비용절감을 추진해 나가지 않으면 안될 상황에 놓여 있다.
DRAM의 공정수는 집적도의 향상에 맞춰 미세화 및 3차원 구조화가 진행되어 1G DRAM에서는 1M의 3~4배로 되며, 한 칩당 면적이 증가함에 따라 웨이퍼 구경도 증가하기 때문에 반도체의 제조장치는 거대화 되며, 초청정 클린룸 사양에서 원료처리율을 상승시키기 위해 대수도 증가하는 경향이 있다.
(1) 장래 클린룸의 요구품질
차세대 클린룸은 설계에서부터 생산에 이르는 각 부문의 기술이 서로 연계되고 복합화가 필연적이며, 청정환경 관리는 TCC(total contamination control) 개념이 필요하고, 오염원의 종류도 다양해지고 직접적인 측정기(particle counter 등)만으로는 측정과 평가가 불가능한 요인들이 많다. 이러한 오염원들이 현재는 문제가 되지 않고 있지만 장치의 설계가 미세화 되면서 복합적인 불량의 원인으로 작용하기 시작하게 되었다. 표[3.1]은 오염원의 종류와 공정불량의 유형을 나타낸 것으로 오염원은 주로 가스상으로 존재하는 것이지만 화학 합성물질 등의 형태로 존재하는 것, 흄 반응의 부산물에 의한 영향 등 다양한 형태로 존재한다. 오염원의 제어, 평가 및 분석은 용이하지 않으며, 많은 노력과 시행착오가 필요하다.
오염원의 제어방법은 크게 세가지로 구분할 수 있다. 첫째는 오염원이 발생하지 않도록 오염원이 되는 물질을 사용하지 않는 방법, 둘째는 발생한 오염원과 접촉하지 않도록 격리시키는 방법이며 셋째는 발생한 오염원을 제거하는 방법이다. 가장 바람직한 제어방법은 오염원이 되는 물질을 사용하지 않는 것이지만 이는 실현성이 없는 것이므로 국소청정화 기술 등 경제적으로 오염원을 격리시키는 방법이 중요하다고 할 수 있다.
클린룸의 형태는 반도체의 본격적인 양산이 시작된 1970년대에는 큰 실(室)에 장치가 레이아웃된 난류형 클린룸이었다. 1980년대 발전기에 들어서 집적도와 미세화의 진전에 따라 전면 다운플로우(down flow)방식의 클린룸이 도입되어 그 후 경제적 관점으로부터 큰 실을 청정역과 준청정역으로 구분해서 필요한 공간을 필요한 청정도로 하는 즉 국소화의 개념이 도입되었다. 즉, 공정마다 베이형태로 장치를 레이아웃해서 파티션으로 구획하는 클린 터널 형식과 Through the Wall 형식의 크린룸 형태를 중심으로 여러 가지로 실현되어 왔다.
표[3.2]는 1M DRAM과 1G DRAM을 비교하여 나타낸 것으로 패턴 사이즈가 1㎛부터 0.1㎛로, 웨이퍼 사이즈가 5인치부터 12~15인치로 크게 변모해 이에 따른 클린룸에 요구되는 품질이 현재보다도 보다 고도화되는 것을 알 수 있다. 현재에 그다지 문제로 되지 않는 항목에서도 장래에 특히 문제로 되는 항목은 ULPA 필터를 투과하는 공기중의 미량의 가스상의 물질이 될 것이다.
장래의 클린룸에서는 반도체의 고집적화에 따라 초 미세가공의 요구를 만족하기 위해서는 표[3.3]에 나타낸 항목의 요구수준까지 기술적으로 향상시키는 것이 중요한 과제이나, 금후에 경제성을 전제로 한 것이 되도록 평가기술의 확립과 함께 극복해야할 요인이 많이 있다. 표[3.3]은 16 M와 G bit 시대 클린룸의 사양을, 표[3.4]는 차세대 슈퍼 클린룸의 환경 요구기준을 나타낸다.
표[3.1]오염원의 종류와 공정불량의 유형
구 분
오염의 종류
오 염 원
공정불량 유형
외기오염
- SOx
- NOx
- HPO4
- 대기오염
- 공조가습 오염
(계절별 변화가 크다)
- 웨이퍼 세척후의 물반점
- 결정형의 결함
- pad의 변색
- stepper lens의 조도 저하
클린룸
내부오염
- NH3
- Cl 화합물
- Br 화합물
- 유기화합물
- chemical fume
- process gas
- exhaust gas
(비주기적이며, 구역별차가 크다)
- DUV공정의 "t" top 현상
- metal corrosion
- pad의 변색
- condensation defect
- 계면부분의 lifting
표[3.2] 1M DRAM과 1G DRAM의 비교
1 M DRAM
1G DRAM
패턴의 치수
1 ㎛
0.1 ㎛
Chip의 면적
45 ㎟
300 - 350 ㎟
1 Memory Cell 면적
25 ㎛2
0.25 ㎛2
양산시의 웨이퍼 구경
4-5 "Φ
12-15 "Φ
표[3.3] 16M와 G bit 시대 클린룸의 사양
1 M DRAM
1G DRAM
웨이퍼
문제로 되는 파티클 사이즈
0.1-0.08 ㎛
0.04-0.01 ㎛
파티클 밀도
0.02개/㎠
0.002 개/㎠
허용금속 오염
5*1010 원자/㎠
3*109 원자/㎠
클린룸
청정도 Class
1(0.05㎛)
0.01(0.01㎛)
순수중의 파티클
1개/ml(0.1㎛)
1개/ml(0.01㎛)
가스중의 파티클
1개/cf(1㎛)
1개/cf(0.01㎛)
화학약품중 파티클
1개/ml(0.5㎛)
11개/ml(0.1㎛)
공장자동화 시스템
카세트 대기반송
불활성 가스반송
표[3.4] 차세대 슈퍼 클린룸의 환경 요구기준
항 목
환 경 요 구 기 준
청정도
프로세스 에어리어 > Class 0.1 (입자경 0.05㎛)
서비스 에어리어 > Class 100 (입자경 0.1㎛)
온습도
실내환경 온도 23℃±5℃ (평면분포)
23℃±0.2℃(시간분포)
습도 45%±3% (시간분포)
Thermal 챔버 온도 설정치 ±0.02℃(평면분포)
설정치 ±0.01℃(시간분포)
습도 설정치 ±1% (시간분포)
압 력
클린룸과 일반실과의 차 ±1.5-3mmAq
절대압력
기 류
일방향 영역 실단면 속도 0.25 - 0.3m/s ±20%
필터취출속도 0.3 - 0.35m/s ±20%
편류각도 14。이내
정전기
웨이퍼 대전 5V 이하
바닥 105Ω 이상 108Ω 이하
벽체 108Ω 이하
전자계
EB 장치영역 1mG(Gauss) 이하
일반 에어리어
진 동
포토, SEM 역 0.2㎛ 이하 (3~50Hz)
일반 에어리어 0.5㎛ 이하 (3~50Hz)
소 음
60dB(A) 이하
이 온
중금속
가 스
반도체 디바이스 종류, 프로세스 등에 의해 한계치가 달라 단일
기준으로 표시하는 것은 어려움
영향도가 높은 물질의 경우 ppb(10억분의 1)레벨의 제어 필요
(2) 반도체 업계의 과제
현재의 반도체 업계의 과제는 타사에 앞서서 차세대의 반도체를 저렴한 가격으로 시장에 내놓을 것인가 이다. 가장 큰 가격상승 요인은 투자액의 막대한 증가로 1G 시대에서는 반도체 투자의 반이상이 제조장치에 필요한 것이며, 장치가격ㅢ 저감이 금후 큰 과제로 될 것이다. 표[3.5]에 장치가격의 저감책을 장치의 사용자측과 메이커측으로 구분하여 나타낸다.
반도체 투자중에서 클린룸 건설에 대한 투자는 장래에는 전투자액에 점하는 비율은 적다하더라도 현재보다 증가하는 것은 확실하다. 그 주요인은 제조장치의 거대화와 대수증가에 기인하는 클린룸의 규모확대에 따른 것이다. 클린룸에 관한 것만의 과제로는 저코스트화 신뢰성의 향상, 고집적 회로의 대응, 지구환경 보전으로의 대책과 다음 4가지의 최소화 추진이 중요하다고 할 수 있다.
① 건설 코스트의 최소화
② 런닝 코스트의 최소화
③ 건설공기의 최소화
④ 배출가스의 최소화
표[3.5] VLSI 제조원가를 절감하기 위한 수단
반도체 제조장치 사용자
반도체 제조장치 메이커
· 라인 가동율 향상
· 생산체제의 재검토(생산품목, 라인
플렉시블화 등)
·설비투자의 재검토와 억제
· 장치의 수명연장(복수세대에서의 사용)
· 장치가동율 향상
· 프로세스 단순화
· 디바이스 구조 심플화
· 제조공정 단축
· 합리적인 프로세스/디바이스 개발
· 생산성 향상(대구경 웨이퍼 등)
· 장치메이커와의 협조
- 메이커의 적절한 방향
- 적절한 사양 제시
· 장치가격의 저감, 소모품가격의 저감
· 장치 신뢰성 향상
· 장치 메인터넌스성 향상
- 프로세스 재현성, 균일성 향상
· 장치 고체성, 초기불안정성 등의 제거
· 장치사용자와의 협조
- 사용자의 요구를 충족시킬 장치
·장치의 소형화, 컴팩트화
2. 반도체 공장의 문제점 및 과제
(1) 코스트의 저감
클린룸은 반도체의 집적도와 미세화의 진전에 따라 제조장치의 거대화와 장치대수가 증가하는 경향을 나타내고 이에따라 필요로 하는 면적이 확대되고 있다. 단위면적당 코스트가 같다고 가정해도 토탈코스트는 증가되는 것이다. 그러나 반도체의 세대마다의 요구품질은 높아지고 이것을 실현하기 위해서는 그에 상응하는 코스트의 증가는 피할 수 없는 현상이다. 이러한 건설 코스트를 저감하기 위한 몇가지의 예를 들면 다음과 같다.
1) 클린룸 투영면적의 절감
반도체 제조용 클린룸에서는 공기의 국소순환을 행하기 위해 바닥아래 공간(리턴플레넘)이 필요로 하게 되는데 이 바닥아래 공간을 유효하게 이용할 방법이 필요하다. 예를들면 제조장치에 부대하는 보조기기류를 장치의 직하에 설치한다던가 자동반송 시스템의 보관고를 바닥아래에 설치하는 등 클린룸의 면적확대를 최소로 하여 건설 코스트를 절감한다. 평면이 넓은 클린룸으로부터 다층방식의 클린룸으로의 변환해서 유틸리티 경로의 절감에 의한 코스트 절감을 모색한다.
2) 융통성에 대한 개념 재고
반도체 제조장치의 레이아웃과 변경에 유연하게 대응할 수 있는 공간으로서 기둥이 없는 공간이 바람직하나 공간이 너무 크게 되면 상당한 코스트 증가를 유발시킬 수 있다.
현재 노광에어리어 등에서는 공간의 융통성 추구를 위해 에어리어 전체를 방진 에어리어로 하는 형태를 취하고 있는 경우가 많다. 장치 자체에서 미진동 대책을 취하는 것이 코스트를 절감시키는 방안중의 하나가 될 수 있다. 최근에는 미진동 대책을 필요로 하는 장치마다 대응가능한 고성능 방진대(3차원 액티브 제진 바닥 시스템)가 개발되었고, 노광 장치뿐만 아니라 고성능 측정기에도 대응할 수 있어, 건물의 구조체 전부에 대한 미진동 대책을 경감시킬 수 있게 되었다.
3) 청정도 기준에 의한 국소 클린화 추진
각 에어리어에 대해서 적정한 청정도를 유지하는 것이 가능하면, 코스트 절감과 에너지소비절감이 이루어 질 수 있으마, 에어리어와 청정도의 설정은 상당히 어려운 문제이다.
제조장치의 신뢰성의 관점에서 아직까지는 유지관리의 빈도수가 많고 외란요란을 고려하여야 할 문제이며 이후 해결되어야 될 큰 과제라고 할 수 있다.
4) 제조장치의 발진대책
현재의 클린룸은 어떤 정도의 공기순환량이 있으면 요구품질에 맞는 성능의 유지가 가능한 레벨에 도달해 있다. 그러나, 본래의 청정도를 필요로 하는 웨이퍼가 폭로될 에어리어에 있어서 제조장치에 의해 기인하는 발진을 되도록 신속히 배제할 목적에 대해서도 클린룸에어가 활용되기 위해서는 필요 풍량보다도 많은 공기 순환량이 설정되는 것이 바람직하다. 제조장치 자체에서 완전히 제거가 가능하면 현재의 순환공기량을 절감시키는 것이 가능할 것이다.
5) 제조장치로부터 배기량의 절감
장치로부터의 배기량도 막대하여 그 절감량에 따라서 클린룸으로의 외기도입량이 절감되어 코스트 절감이 가능해진다.
(2) 클린룸내 오염대책
반도체 공장의 클린룸에서는 미연방규격 FDS 209E와 일본공업규격 JIS B 9920에 규정되어 있는 것과 같은 부유미립자수에 의한 청정도 이외에 고려해야 할 문제가 많이 있다. 기본적인 오염요인을 분류하면 ① 클린룸 환경, ② 클린룸 구성재교, ③ 제조장치, ④ 유틸리티, ⑤ 인간등으로 대별된다.
1) 클린룸 환경
클린룸 환경중에서 문제로 되는 것은 장치 레이아웃과 웨이퍼 반송방법, 더욱이 제조장치 그 자체에 의한 기류의 난류화로부터 발생하는 2차적 오염이다. 이 문제의 기본적인 오염원(피티클 등)은 따로 기인한다고 해도 클린룸을 건설하는 측에서는 적극적인 대응을 해야 할 항목이다. 최근에는 기류시뮬레이션 기술의 향상에 수반해서 어느정도는 정량적인 평가가 가능하지만, 오염방지를 위해서는 광대한 클린룸 공간전체를 대상으로 한 기류시뮬레이션이 필요하다.
2) 클린룸 구성재료
클린룸 구성재료에 대한 문제는 금속이온에 의한 오염과 가스상 물질에 의한 오염의 방지이다. 종래는 특수가스, 초순수약품, 레지스터 등에 의한 오염이 문제가 되었으나, 반도체 집적도가 높아짐과 함께 클린룸 구성재료에 대해서도 이러한 오염물질의 규제량이 엄격하게 되고 있다. 프로세스 중에는 Zn, Fe, Cu 등의 금속이온과 휘발성가스의 방지로부터 에어필터와 내장재, 배관과 닥트, 심지어는 냉각코일등의 재질도 재검토 되고 있다.
3) 제조장치
오염요인 중에서 상황파악이 가장 어려운 것은 프로세스중의 오염으로써 파티클, 금속유기물, 자연산화막 등이 지적되고 있다. 이것들은 실제의 프로세스 디바이스에서 복잡하게 작용하여 디바이스 특성에 영향을 주고 있다. 제조장치내에 있는 반응부 생성물과 금속오염에 대해서는 오염원을 장치내에 유입되지 않도록 하는 것이 클린룸측으로의 기본요구라 할 수 있다.
4) 유틸리티
이 문제는 특수가스, 초순수 약품, 레지스터 등을 포함하는 오염물질이 프로세스중에 직접 웨이퍼에 영향을 준다는 것이다. 디바이스 메이커에 의한 조사, 분석의 결과가 반영되어 있으며, 이러한 유틸리티의 사양이 명확하게 되어 있다.
클린룸의 오염대책은 종래의 파티클을 중심으로 한 클린룸의 전체오염으로부터 웨이퍼 표면에 대한 오염방지로 그 사고방식이 변하고 있다.
(3) 클린룸의 평가방법
종래의 반도체 공장 클린룸은 미국연방규격 FDS 209E와 일본공업규격 JIS B 9920에 규정된 '청정도'를 기준으로 평가를 수행했다. 대상으로 되는 부유 미립자 입경은 LSI디자인 룰의 약 1/10이라는 정의가 통례였으나, 그 디자인룰이 현재 0.5㎛ ~ 0.35㎛의 LSI가 양산되기 시작하였다. 이 경우 청정도를 평가하기 위한 광산란식 파티클카운터의 계측가능 소립자경과 샘플링 공기량에 대한 문제가 발생되었고 이에 대한 검토가 필요하다.
현재 시판되고 있는 주요 광산란식 파티클카운터는 계측할 수 있는 가장 작은 입경이 0.05㎛이며 이보다 더 작은 입경을 대상으로 하는 경우에는 CNC(Condensation Nucleus Counter)를 사용할 필요가 있다. 0.05㎛의 입경을 계측할 수 있는 카운터를 사용하여 청정도 Class2 이상을 평가하는 경우 필요한 최소 샘플링 공기량은 200ℓ 이상이며 한 포인트당 계측시간은 짧아도 72분 이상을 필요로 하며, 클린룸 전체의 청정도 평가에는 막대한 시간이 필요하게 된다.
즉 현재의 평가방법으로는 현실적으로 대공간 클린룸에 대한 평가는 어려우며, 청정도(부유입자수) 이외 미량의 가스상 물질의 평가도 중요하다. 이러한 불순물 중에는 ppb, ppt 수준으로 농도가 규제되는 물질도 있고 그 평가에는 많은 시간과 경비가 필요하다.
3. 반도체 공장 클린룸의 금후 전망
청정도에 대해서는 미연방규격 FDS 209E와 일본 공업규격 JISB 9920에 규정되어 있는 부유입자 이외에 오염요인으로 되는 가스상 물질과 금속이온, 입자의 조성 등에 대한 규정이 필요하게 될 것이다.
금후 반도체 공장 클린룸은 필요한 청정공간을 최소한으로 억제하는 시스템(국소 클린화 시스템)이 필요하며, 국소화된 청정공간에 대한 기술개발도 중요하다. 이 국소 클린화 시스템을 보다 충실히 하기 위해서는 대구경 웨이퍼 처리에 대한 웨이퍼 자동 반송기술의 확립이 필요로 될 것이다.
어느정도 단위에서 프로세스별 오염제어를 위해서는 복수의 공조, 송풍계통을 병설할 필요가 있으며, 각 프로세스에서 필요한 청정도 레벨에 맞춘 운전관리가 가능하게 되면 '대공간방식'에 비해서 전체의 외기부하를 저감시키는 것도 가능하게 될 것이다.
반도체 공장에서는 클린룸 전체의 기류시뮬레이션이 필요로 되고, 파티클, 금속, 가스상 물질 등의 오염방지와 에너지 절약을 고려한 국소 클린화 시스템에서는 웨이퍼 보관부↔웨이퍼 반송부↔제조장치간의 loader, unlader 부분에 대한 시뮬레이션의 필요성이 높아지고 있다. 또한 시뮬레이션 기술은 기류계측과 함께 3차원 벡터량의 에니메이션화의 인공지능에 의한 예측기능을 부가해서 동적인 기류해석으로의 응용도 기대된다.
현재의 반도체 공장 클린룸중에서 평가의 중심으로 되는 것은 역시 청정도이지만, 파티클과 미량가스 등은 반도체의 집적도가 향상하는 것과 함께 저농도·저미립자의 제어가 필요하고, 계측기를 포함한 평가기술의 개발이 요구되고 있다. 요소기술로서는 현재 제조·프로세스 측면에서 이루어지고 있는 GS-MS, ICP-MS 및 APIMS등을 사용한 불순물 분석 기술의 활용도 고려될 수 있을 것이다.
반도체 공장의 전력소비량에서는 클린룸을 중심으로 한 공조비율이 60%을 넘는 경우도 있기 때문에 역시 공조설비의 개선과 기술개발이 가장 중요하다고 할 수 있다. 더욱이 지구환경의 보호라는 측면에서 CO2 배출량의 억제와 에너지 효율의 향상 등을 생각해 볼 수 있다.
요소기술로서는 휀코일 유니트(FCU)를 사용한 로칼 순환공조방식, 열병합발전을 중심으로 한 열원방식 등이 고려될 수 있다. 또한, 기기장치에서 배기를 시키는 방식을 사용해서 외기량을 절감시킨다든가 기기운전 효율을 향상시키는 등의 방법도 검토될 수 있다.
반도체 공장 클린룸의 오염문제는 프로세스 디바이스 등에 의한 여러 경우의 오염(파티클, 금속이온, 가스상 물질 등에 의한 단독 또는 복합오염)이 생각될 수 있다. 디바이스에 영향을 주는 오염물질에 대해서는 오염 메커니즘과 규제치의 확립이 필요하며 이를 위해서는 사용자·공급자를 포함해서 학회, 협회 등 넓은 범위에서의 공통테마로서 기술향상이 필요하다고 할 수 있다.
종래의 오염제어는 입자오염을 중심으로 이루어졌으나, 금후 ULSI의 오염제어에서는 입자와 더불어 광범위한 오염요인에 대해서 검토가 필요하다. 이러한 오염요인은 반드시 클린룸과 같은 기체상태중에서 오염제어에 의해 해결가능한 것인데 적어도 종래와 같은 대실(공간)방식의 클린룸에서는 제어가 어렵다고 할 수 있다. 또한, 자연산화막 등에 대해서는 질소분위기 프로세스와 수소종단 프로세스를 위한 보다 정밀한 온·습도 관리가 필요하며, 오염요인, 오염물질의 거동에 맞춘 프로세스별의 치밀한 분위기 제어가 필요로 될 것이다.
Ⅳ. 클린룸의 환경제어와 공조시스템의 동향
종래의 클린룸 기술은 미세입자의 제어에만 노력해왔지만, 차세대 클린룸 기술에서는 미세입자 뿐만아니라 클린룸내에 확산되는 미량의 이온, 유기미스트, 산성 및 알카리성 가스까지도 계면과 피막에 영향을 미쳐서 수율과 신뢰성에 직접적으로 관련이 되기 때문에 ppb 레벨에서 제어되어야 한다.
클린룸 기술은 반도체 공장의 요구에 따라 발전되었다고 말할 수 있다. 특히 청정화 기술중에서 LSI 제조에 요구되는 청정도는 패턴의 치수 1/10의 입자경을 제어대상으로 결정되어진다는 것은 너무도 잘 알려진 사실이다. 이것은 4M DRAM 및 16M DRAM의 최소 패턴이 0.8㎛ 및 0.5㎛이므로 1/10 롤에 의해 웨이퍼 오염을 제어하기 위한 입자는 0.08 및 0.05㎛ 이상의 입경을 갖는 것을 의미한다.
또한, 정밀한 공기온도의 제어는 특히 Photoresist 공정에서 사용되어지는 Stepper의 환경에 필수 불가결한 기술이다. 예를들어 4M DRAM에서는 ±0.1℃, 16M DRAM에서는 ±0.05℃의 정밀제어 성능이 필요하다. 이러한 정밀한 제어에 있어서는 공조시스템에 의한 방법은 순환공기량이 많기 때문에 한계가 있다. 따라서 클린룸 전체는 ±0.5℃ 정도의 온도제어를 가능케 하고 Stepper는 각각의 Thermal Chamber로 제어하는 것이 바람직한 방법이라고 할 수 있다.
최근의 클린룸은 초청정을 지향하는 슈퍼 클린룸과 실내의 기류가 일방향류 분포인 저청정 범용 클린룸으로 양극화 현상이 뚜렷하게 나타나고 있다. 또한 최근들어 기술적으로 미니환경(Mini environment ; ME)과 미생물 오염제어(Bio contaminant Control)에 대한 관심이 고조되고 있다.
G bit 시대에는 더욱 미소한 입자를 저농도로 제어하려면, 종래의 전면 수직층류방식으로는 거액의 초기 운전비용이 든다. 이 때문에 Through the Wall 방식을 채용한 크린터널 방식이 널리 보급되고 있다. 한편 구미에서는 1993년경부터 미니환경(Mini environment)이라 불리는 시스템이 각광받고 있다.
미니환경은 제품을 오염과 인간으로부터 격리시키기 위해 담으로 둘러싼 국소환경이라 정의된다.
Through the Wall 방식과 국소 청정화라는 점에서는 유사하지만 장치전체를 작업, 반송구역으로 완전히 격리시켜 시스템을 도입하는 데는 종래의 클린화 기술의 의식으로부터의 대담한 전환이 필요하며, 금후 보다 고도의 저비용 국소청정화 시스템을 국축해 나가야 하는 것이 지상과제이다.
국내 반도체 공장의 클린룸에 사용된 공기조화방식은 수직층류방식을 거쳐 현재에는 CTM(Clean Tunnel Module)방식, Open Bay 방식 및 FFU(Fan Filter Unit)방식 등을 사용하고 있다. 그리고, 국부 초청정 장치인 SMIF(Standard Mechanical Interface) 시스템, Clean Tube 시스템 등의 도입도 검토 중이어서 조만간에 클린룸 내에 설치될 것으로 예상된다.
고청정도 공기환경의 유지를 위해 이용되는 실내기류방식은 종래의 클린룸에서는 층류방식(수직, 수평)과 난류방식이 있으며, 실제로는 이들 방식을 병용한 방식이 많이 이용되고, 슈퍼 클린룸에서는 난류방식으로는 그 고청정도 공기환경을 유지할 수 없는 것은 자명하지만, 그렇다고해서 층류방식에서 반드시 가능한 것은 아니다.
전면수직 층류방식을 취하고 있는 Class 100 클린룸을 Class 10 또는 Class 1로 Grade Up하기 위해서는 쉽게 상상할 수 있듯이 그것은 평균 기류속도를 올리고 즉, 환기횟수를 증가시킴에 따라 해결할 수 있는 문제가 아니다. 발진원으로부터의 입자확산 범위가 좁아진다는 장점은 있지만, 내뿜는 공기는 청정도 이하에서는 역효과가 되는 경우도 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로는 다음에 열거하는 3가지 방법을 조합하여 적용하는 것이 바람직하다.
① 취출공기의 부유미립자 농도를 제어하고자 하는 실내농도의 값과 비교하여 충분히 낮게 유지(바람직하게는 수십분의 1정도)한다.
② 발진원에서 발생한 미립자가 문제가 되는 대상물 표면(대상물 표면 근방의 작은 공간)으로 유인되어 가는 기류경로를 단절하고, 혹은 그와 같은 위험한 위치에서 발진원을 격리시킨다.
③ 발진원에 대해서는 그 발생량을 가능한 한 저감시키고, 혹은 국소적으로 포집, 배출한다.
현재보다 신뢰도가 높은 반도체 생산을 위해서는 생산에 관여하는 사람으로부터의 격리와 에너지 절약을 목적으로 생산라인 자동화에 관한 시험, 특히 Tunnel Unit에서 Clean Tube방식이라고도 부르는 국소적인 초고청정화로 바뀌는 방법이 모색되고 있는데, 그렇게 하기 위해서는 생산기기로부터의 발전에 대한 연구 및 대상물 표면에 대한 입자부착기구의 해명이 필수조건이라고 할 수 있을 것이다.
Ⅴ. 맺음말
본 고에서는 현단계에서 한국 반도체 산업의 현황, 차세대 클린룸의 환경조건과 기술 전망, 환경제어와 공조시스템의 동향에 대하여 개략적으로 기술하였다. 반도체 산업은 그 변화가 빠르고 따라서 클린룸에 대한 요구조건도 점점 엄격하여지는 현상을 보이고 있다. 국내 반도체 공장의 클린룸에 사용된 공기조화방식은 수직층류방식을 거쳐 현재에는 CTM(Clean Tunnel Module)방식, Open Bay 방식 및 FFU(Fan Filter Unit)방식 등을 사용하고 있으마, 국부 초청정 장치인 SMIF(Standard Mechanical Interface)시스템, Clean Tube 시스템 등도 조만간에 클린룸 내에 설치될 것으로 예상된다.
반도체는 고집적화가 진행되고 있어 이에 대응하여 클린룸 본체 등 관련설비기기에도 보다 고성능화가 요구될 것이며, 종래의 클린룸 기술은 미세입자의 제어에만 노력해왔지만, 차세대 클린룸 기술에서는 미세입자 뿐만아니라 클린룸내에 확산되는 미량의 이온, 유기미스트, 산성 및 알카리성 가스까지도 ppb 레벨의 제어가 필요하다. 현재까지의 반도체 공장 클린룸중에서 평가의 중심으로 되는 것은 역시 청정도이지만, 차세대 클린룸에서 파티클과 미량가스 등은 반도체의 집적도 향상에 따라 저농도·저미립자의 제어와가 필요하고 계측기를 포함한 평가기술의 개발이 요구되고 있다.
참고문헌
1. 삼우설계, ROCA위원회(1995) Clean Room 기술개발 연구보고서(제7차), 서울
2. 최재홍(1996) 차세대 클린룸 기술동향, 국제공기청정심포지움, 한국공기청정연구조합, 서울
3. 한국반도체산업협회, 한국반도체연구조합(1997) 韓國 半導體産業 現況와 展望, 반도체산업, 제6권 1호, 서울
4. JAPAN AIR CLEANING ASSOCIATION(1997) 15th Annual Tech, Meeting on Air Cleaning and Contamination Control, Tokyo
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