팹 유틸리티, 항온항습과 배기와 스크러버가 하는 일

산호초는 아주 좁은 환경 범위 안에서만 살아갑니다. 바닷물의 온도와 맑기, 빛이 조금만 어긋나도 산호가 함께 사는 조류를 내보내 하얗게 변하는 백화 현상이 생기죠.

팹 유틸리티가 하는 일이 이 환경 유지와 닮았습니다. 클린룸과 장비가 공정을 수행할 수 있도록 공기의 온도와 습도, 배기, 물과 가스와 전력 같은 바탕 조건을 정해진 범위 안에 붙잡아 두는 설비 전체를 가리킵니다.

비유와 다른 점도 있습니다. 산호초는 자연이 환경을 주고 생물이 적응하지만 팹은 환경을 사람이 만들어 내야 하고, 범위를 벗어나면 서서히 시드는 대신 수율에 곧바로 영향을 줄 수 있습니다. 게다가 팹은 쓰고 남은 가스를 처리해서 내보내야 하는 책임까지 집니다.

팹 유틸리티란, 클린룸과 장비를 받치는 바탕 설비

유틸리티(Utility)는 공정 장비 자체가 아니라 장비가 돌아가게 해 주는 공급과 환경과 처리 설비입니다. 공급 쪽에는 전력, 초순수, 공정 가스와 케미칼, 압축 공기, 진공이 있고, 환경 쪽에는 항온항습 공조가, 내보내는 쪽에는 배기와 폐수 및 폐가스 처리가 있습니다.

많은 팹이 위층에는 클린룸과 장비를 두고 아래층에는 펌프와 배관과 스크러버를 두는 구조를 씁니다. 이 아래층을 서브팹(Sub-Fab)이라 부르고, 큰 설비는 별도 건물에 모아 두는 경우도 많습니다.

초순수와 공정 가스, 진공은 각각 따로 다룰 만큼 큰 주제입니다. 이 글은 환경과 배출을 맡는 항온항습, 배기, 스크러버 세 가지에 집중합니다.

항온항습, 온도와 습도가 흔들리면 생기는 일

팹 유틸리티 중 공기의 상태를 맡는 항온항습(Temperature and Humidity Control)은 클린룸 공기의 온도와 상대 습도를 좁은 범위로 유지하는 공조입니다. 사람이 쾌적하다고 느끼는 수준이 아니라 공정이 요구하는 수준이어서 변동 폭이 훨씬 좁게 관리됩니다.

온도가 흔들릴 때 가장 먼저 떠올릴 현상은 열팽창입니다. 실리콘의 선팽창 계수는 대략 2.6 ppm/K, 곧 1 K당 2.6 × 10⁻⁶의 비율로 늘어나는 정도로 알려져 있습니다.

실제 노광 장비는 웨이퍼 온도를 장비 안에서 따로 안정시킵니다. 그래도 주변 공기가 안정해야 보정해야 할 양이 줄고, 광학계와 간섭계 같은 계측부도 영향을 덜 받습니다.

습도는 다른 방식으로 작용합니다. 너무 낮으면 정전기가 쉽게 쌓여 ESD 위험이 커지고, 너무 높으면 표면에 수분이 붙어 금속 부식이나 감광제의 접착과 반응에 영향을 줄 수 있습니다.

구조도 알아 둘 만합니다. 팹 공조는 필터를 거친 공기를 위에서 아래로 흘리며 순환시키고, 배기로 나간 만큼은 바깥 공기를 외기 보충(Make-up Air)으로 들여옵니다. 외기는 계절에 따라 온도와 습도가 크게 달라서 이를 팹 조건으로 맞추는 데 에너지가 많이 듭니다.

배기, 열과 가스를 덕트별로 나눠 내보내는 방식

배기(Exhaust)는 장비와 클린룸에서 생기는 열과 증기와 가스를 덕트로 모아 밖으로 내보내는 계통입니다. 오염 물질이 클린룸 전체로 퍼지기 전에 발생원에서 바로 빨아내고, 동시에 클린룸의 압력 균형을 유지하는 두 가지 일을 합니다.

덕트는 내보내는 물질의 성질에 따라 나눕니다. 아래는 대표적인 분류이고 이름과 개수는 팹마다 다릅니다.

나누는 이유는 두 가지입니다. 산과 암모니아 같은 서로 반응하는 증기가 한 덕트에서 만나면 염 입자가 생겨 덕트가 막히고 부식이 빨라지며, 성질마다 알맞은 처리 방식이 다르기 때문입니다.

배기량의 균형도 설계 과제입니다. 배기가 부족하면 발생원에서 못 빨아낸 오염이 새고, 너무 많으면 외기 보충량이 늘어 항온항습의 부하가 커집니다. 배기와 항온항습이 따로 설계할 수 없는 한 쌍인 이유입니다.

스크러버, 유해 배기 가스를 처리하는 대표적인 방식

스크러버(Scrubber)는 배기 속의 유해 성분을 제거하거나 덜 해로운 물질로 바꾸는 장치입니다. 공정 챔버에서 쓰고 남은 가스는 먼저 진공 펌프가 빨아내고, 펌프의 출구를 스크러버가 받아 처리합니다.

대표적인 방식으로는 네 가지를 꼽습니다. 습식은 물이나 약액에 녹이거나 중화해서 제거하고, 연소식은 불꽃이나 열로 분해하며, 흡착식은 흡착제 층을 통과시켜 붙잡고, 플라스마식은 플라스마로 분해합니다.

어떤 방식이 맞는지는 가스의 성질에 달려 있고, 한 방식으로 부족하면 여러 방식을 직렬로 이어 쓰기도 합니다. 설치 위치도 갈려서, 장비 옆에서 짧은 배관 거리로 처리하는 방식과 여러 장비의 배기를 모아 중앙에서 처리하는 방식이 있습니다.

팹 유틸리티를 보조 설비로만 보는 오해

첫째는 클린룸만 깨끗하면 유틸리티는 보조 설비일 뿐이다라는 생각입니다. 클린룸의 온도와 압력, 습도를 만드는 것이 유틸리티여서, 이상이 생기면 한 장비가 아니라 같은 공기를 쓰는 장비 전체가 동시에 영향을 받습니다.

둘째는 배기는 쓰고 남은 공기를 버리는 단순한 일이다라는 이해입니다. 성질별 분리와 배기량 균형, 외기 보충까지 맞물려 있어서 설계에서 가장 까다로운 축에 속합니다.

셋째는 스크러버를 거치면 어떤 가스든 똑같이 해결된다는 판단입니다. 방식마다 잘 처리하는 가스가 달라서 맞지 않는 방식에 보내면 일부가 그대로 남을 수 있습니다.

항온항습과 배기와 스크러버 비교 표

구분	항온항습	배기	스크러버
지키는 대상	공기의 온도와 습도	클린룸의 청정도와 압력 균형	배출되는 가스의 유해성
이상이 생기면	열팽창과 정전기, 수분 문제	오염 확산, 압력 균형 이탈	유해 성분이 처리되지 않은 채 배출될 위험
핵심 구성	공조기, 냉각과 가열, 가습과 제습, 필터	성질별 덕트, 팬, 풍량 조절	습식, 연소식, 흡착식, 플라스마식
설계에서 보는 것	변동 폭과 외기 보충 부하	덕트 분리와 배기량 균형	가스 성질에 맞는 방식과 설치 위치

핵심 정리

팹 유틸리티는 공정 장비가 돌아가기 위한 환경을 만들고 쓰고 남은 것을 안전하게 내보내는 설비입니다. 항온항습은 열팽창과 습도 문제를 막고, 배기는 성질별 덕트로 오염을 발생원에서 빼내며, 스크러버는 유해 가스를 방식에 맞게 처리합니다.

세 설비는 따로 움직이지 않고 한 호흡으로 묶여 있습니다. 배기량이 바뀌면 외기 보충과 항온항습이 달라지고, 공정 가스가 늘면 스크러버의 처리 부담이 달라집니다. 산호초가 수온과 수질의 균형으로 유지되듯, 팹도 이 균형이 깨지는 곳에서 먼저 문제가 드러납니다.

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