<국제클린에어텍2002>크린룸 기술동향

　◇클린룸 기술동향

　21세기들어 공기정화 및 청정이 필요한 모든 분야에 청정실(클린룸)은 필수요소로 자리잡았다. 굳이 반도체나 LCD와 같은 첨단 제조라인이 아니더라도 각종 산업시설에서 작업장의 환경개선이나 안정된 품질을 관리하기 위해서는 클린룸 기술이 매우 중요한 인프라로 자리잡은 것이다.

　반도체 제조분야에서 클린룸 기술은 생산경쟁력인 수율과 불가분의 관계라는 점에서 아무리 강조해도 지나치지 않다. 특히 반도체의 발전과 더불어 웨이퍼의 대구경화와 제품의 고집적화가 급속하게 진전되면서 반도체 생산을 위한 기초 인프라인 클린룸에 대한 차세대 개념의 연구가 요구되고 있다.

　이른바 ‘ULSI(Ultra Large Scale Integration) 디바이스 시대’에는 단순히 공기 중 부유입자에 의한 초청정 공간의 구성이라는 개념에서 벗어나 입자 외의 광범위한 오염 요인의 제어가 필요하게 됐다. 이와 함께 공간 환경오염 제어에서 웨이퍼 레벨의 청정환경을 확보하려는 방향으로 전환되고 있다.

　기가급 시대에는 클린룸이나 생산설비에서의 화학적 독기 및 이온 오염에 의한 웨이퍼 표면 오염과 화학적 반응에 의한 표면구조의 변화로 인한 불량, 유기적 오염에 의한 디바이스 불량 등 파티클 제어만으로는 관리할 수 없는 분자상의 오염원을 제어해야 하는 과제에 직면해 있다.

　나트륨 및 중금속 등의 화학적 결합에 의한 오염문제를 비롯해 최근에는 자연산화막, 분자상 흡착물 등의 문제가 해결과제로 거론돼 왔다. 특히 확산과 식각 등을 중심으로 하는 물리화학적 처리과정에서 반응생성물에 의한 오염, 자연산화막을 포함한 가스상·분자상 물질에 의한 오염 대책마련을 위해 반도체 제조업체들은 고심하고 있다.

　이에 대한 여러가지 오염 제어방안이 수립되고 있지만 반도체 제조공장의 대형화와 웨이퍼의 대구경화가 가속화되면서 웨이퍼가 오염원에 노출될 수 있는 가능성이 점점 높아지고 있다. 또 필요한 수준까지 오염을 관리하기 위해서는 종전의 재래식 클린룸으로는 초고집적회로의 구성을 위한 실질적인 웨이퍼 레벨에서의 청정환경 구성도 어려워지고 오염의 미세관리 방법도 복잡하게 되며 투자·운영비용이 거대화하는 장벽에 부딪치게 된다.

　클린룸은 생산성 향상을 통해 생산단가를 낮출 수 있다는 점에서 효율적이지만 제조공장의 대형화로 클린룸 설비투자에 막대한 비용이 소요된다는 점은 반도체 제조업계에서는 늘 고민거리로 작용한다.

　D램 기술은 현재 512메가 제품의 양산단계에 이르렀으며 향후 1∼2년 안에는 기가급 반도체인 1기가 D램의 양산이 예상되며 2010년에는 16기가까지 발전될 것으로 예상된다. 그러나 기가급 시대로 돌입해야 하는 시점에서 웨이퍼에 대한 오염 제어범위가 새로이 개발돼 생산장비와 연계해 점차 확대되고 미세화되고 있으며 16기가 D램 개발에서 제어돼야 할 오염은 회로선폭의 10분의1 수준인 0.01미크론(㎛) 크기의 초미세 입자와 분자 크기의 가스까지 포함된다. 즉 반도체 제조는 집적도가 높아짐에 따라 회로선폭이 좁아져 생산공정라인에서 제어해야 할 오염물질의 크기도 점점 작아지고 있다.

　반도체 디바이스를 생산하려면 청정한 제조환경이 요구되는 웨이퍼 처리공정만도 100개 이상을 거쳐야 한다. 또 하나의 공정을 완수하고 다음 공정으로 결함이 없는 웨이퍼를 넘겨주기 위해서는 각 제조공정상에 있어서 공정관리를 위한 미세오염 제어기술을 확보해야 한다.

　따라서 주변의 공기청정도를 클래스100∼1000 정도의 낮은 상태를 유지하면서 효과적으로 국소공간의 청정도 및 오염을 제어할 수 있도록 국소청정 개념이 요구되고 있다. 이 경우 클린룸 전체를 고청정 공간으로 유지하는 종래의 방식보다 더 나은 웨이퍼 수준의 고청정도를 유지하면서 비용도 현격히 낮출 수 있다.

　현재 선진국에서 집중적으로 연구개발되고 있는 차세대 클린룸은 제조공정이 이뤄지는 제조장비 부근으로 초청정구역을 국소화하는 SMIF(Standard Mechanical Interface) 시스템, 클린튜브 시스템 등이다. 최근 들어서는 국소환경과 함께 미생물 오염 제어에 대한 관심도 고조되고 있다.

　클린룸은 최근 반도체 못지않게 중요한 산업분야로 떠오른 박막트랜지스터 액정표시장치(TFT LCD) 전공정에 수요가 늘고 있다. 삼성전자·LG필립스LCD 등이 대규모 투자를 진행, 국내 클린룸 산업을 주도하고 있다. 클린룸의 적용범위는 의약품·식품 등의 제조산업으로 확산되는 추세다.

　따라서 극한적인 오염 제어기술뿐만 아니라 다양한 클린룸의 설계기술, 에너지 절약기술 등도 중요하게 다뤄져야 한다. 현재 외국의 클린룸 전문업체들이 국내시장 진출을 시도하고 있으므로 연간 5000억원(소자업체들의 투자집중 시기)을 넘나드는 클린룸시장에서 우위를 점하기 위한 국내외 업체들간의 치열한 경쟁이 예상된다.

　이에 대한 대비책으로 국내 대기업을 비롯해 전문 중소기업, 대학, 국공립 연구소 등이 나름대로 활발한 연구를 수행하고 있거나 기술·인력·자금의 부족으로 기술개발의 한계를 드러내고 있다. 특히 기가급 울트라 클린룸 시스템의 개발의 경우 세계 반도체시장에서 우리나라가 수위를 확보하기 위해서는 반드시 개발이 필요한 기술이며 국내외 시장잠재력, 해당분야의 기술수준 등을 감안할 때 정부차원에서 전략적 지원이 시급하다.

　사용자인 반도체 제조회사, 제약회사 등의 긴밀한 협조가 요구되고 이들과 공동연구 등을 통해 당면한 애로사항을 해결하는 것이 중요하다. 또한 국제경쟁력의 가속화 추세에 따라 효율적인 투자가 요구된다.

　입자뿐만 아니라 미량의 화학물질, 중금속, 이온 등을 포함하는 종합적인 제어기술이 개발돼야 하므로 클린룸 기술의 질적인 변화도 요구된다. 입자의 경우 서브 미크론 크기에서 나노 크기로 제어대상이 작아짐에 따라 공기 중 나노입자를 측정하기 위한 연구가 활발하게 수행되고 있는데 이와 함께 제조장비나 웨이퍼 표면의 나노입자를 측정할 수 있는 계측기의 개발도 시급하다.

　국내 반도체업계가 세계적으로 메모리 분야를 선도하고 있으므로 명실상부한 1위를 고수하기 위해서는 국내 연구역량을 결집하여 오염제어 기술의 국자 자립화를 위한 투자를 아끼지 말아야 한다.

　<최정훈기자 jhchoi@etnews.co.kr>

　

　<외부기고 소박스>

　◇300㎜ 웨이퍼 시대의 국소청정기술

　내년 이후부터는 본격적인 300㎜ 웨이퍼 시대가 열릴 전망이다. 300㎜ 웨이퍼 가공시설의 규모는 기존 200㎜에 비해 월등히 크기 때문에 종전의 클린룸 기술로는 생산가격 경쟁력을 유지하기 어렵다. 이에 대한 해결책으로 국소청정기술이 거론되고 있다.

　300㎜ 웨이퍼 가공시 이용되는 0.18미크론의 회로선폭에서는 웨이퍼 표면처리시 약 0.1 단층 이하에 탄소원자 밀도를 억제할 필요가 있다. 이같이 화학적 오염까지 제거한 청정도 높은 클린룸을 건설·운전하려면 경제적으로 큰 부담이 생기므로 국소청정기술이 요구되는 것이다.

　현재 국소청정기술로 생각하고 있는 것은 밀폐된 웨이퍼 상자를 반송해서 제조장치로 이동하는 방식과 오픈 카세트를 클린터널 내로 반송·보관하는 방식이 있다. 웨이퍼 상자는 상자하부가 밀폐된 SMIF 상자가 이용되고 있지만 이후에는 FOUP(Front Opening Unified Pod)라 불리는 용기가 표준으로 자리잡을 전망이다.

　현재 일본을 비롯한 반도체 선진국에서 국소청정기술을 본격적으로 채택하지는 않았지만 300㎜ 시대에 들어서는 사정이 달라질 것으로 보인다.

　국소청정기술을 채택할 경우 클린룸의 청정도를 어디까지 끌어내릴 것인가 하는 것에 대해서는 의견이 분분하다. 클래스1000으로 충분하다는 의견도 있지만 유지보수시 제조장치의 체임버를 노출시키는 경우 클래스1000으로는 불충분하다는 의견도 있다.

　클린룸의 청정도를 클래스1000까지 떨어뜨리려면 비용 측면의 장점이 발생하지만 클래스100에서는 오히려 비용이 높아진다는 지적이다. 보급단계에서는 클래스1000으로 운전하고 유지보수가 필요한 경우에만 국소적으로 청정도를 올리는 것이 가능한 클린룸의 실현이 바람직하다.

　비용적 측면 외에도 웨이퍼 상자 이용시 발생하는 오염물질 제거도 300㎜ 웨이퍼 시대의 주된 과제다. 웨이퍼 상자를 구성하는 플라스틱 재료에서 발생하는 가스는 웨이퍼 표면을 오염시킬 수 있다.

　웨이퍼 상자의 개폐시 발생하는 분진을 제거하기 위한 웨이퍼 상자내 클리닝 기구 도입도 필요하다.

　이밖에도 웨이퍼 도포막에서 발생하는 가스나 웨이퍼상에 부착한 파티클의 이탈에 대한 대비책도 강구해야 한다.

　반송상자의 표준화도 이뤄져야 한다. 현재 FOUP와 오픈 카세트 사이에는 호환성이 없다. 적지 않은 수의 반도체 제조업체들은 300㎜ 웨이퍼용 새로운 라인에서도 FOUP를 이용한 국소청정시스템이 아닌 오픈 카세트와 보통 클린룸을 이용하고 있다.

　그러나 웨이퍼에서 요구되는 청정도의 수준이 높아지고 표준화를 통한 자동반송시스템에 대한 비용이 낮아진다면 국소청정기술은 300㎜ 시대에 보편적이고 필수적인 기술로 자리잡을 것이다.

　

　<신성이엔지 기술연구소소장 조상준 박사>