반도체 수율 향상의 숨은 조력자: 케미컬 에어필터 심층 분석 및 최적 활용 전략

1. 요약

• 본 보고서는 반도체 제조 공정에서 웨이퍼 불량의 주요 원인인 TMS 가스 불순물 문제를 해결하기 위한 케미컬 에어필터의 역할과 중요성을 심층적으로 분석합니다. 핵심 질문은 '케미컬 에어필터가 반도체 생산성 향상에 어떻게 기여하는가'이며, 주요 발견 사항으로는 가스 라인 필터 설치와 NF3 클리닝 최적화를 통해 웨이퍼 불량률을 1.5%에서 0.8%로 감소시킨 사례가 있습니다.

• 가장 중요한 통찰은 케미컬 에어필터 단독 적용뿐만 아니라, Selexol 공정, IoT 기반 모니터링, 하이브리드 필터링 시스템 등 다층적 접근 방식을 통해 시너지 효과를 극대화할 수 있다는 점입니다. 미래 방향으로는 AI 기반의 스마트 필터 관리 시스템 구축과 친환경 공정 기술 개발이 중요하며, 이를 통해 반도체 제조 공정의 지속가능성을 확보할 수 있을 것으로 기대됩니다.

2. 서론

• 반도체 제조 공정은 극미한 오염에도 민감하게 반응하는 웨이퍼의 품질을 보장하기 위해 고도로 제어된 환경을 요구합니다. 특히, TMS(Trimethylsilane)와 같은 특수 가스를 사용하는 공정에서는 가스 자체의 불순물뿐만 아니라 공기 중의 가스상 오염물질이 웨이퍼 표면 오염의 주요 원인이 됩니다. 이러한 오염은 박막의 균일성을 저해하고 소자의 전기적 특성에 악영향을 미쳐 결국 수율 저하로 이어집니다.

• 본 보고서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 케미컬 에어필터가 반도체 제조 공정에서 수행하는 핵심적인 역할을 심층적으로 분석합니다. 단순히 공기를 정화하는 것을 넘어, 특정 오염물질을 표적화하여 제거함으로써 박막의 품질을 향상시키고 공정의 안정성을 확보하는 데 기여하는 케미컬 에어필터의 가치를 규명하고자 합니다.

• 본 보고서는 케미컬 에어필터의 기초 개념부터 시작하여, TMS 가스 불순물의 종류와 웨이퍼 불량 메커니즘, 최적의 설치 전략, 보완 조치, 필터 선택 기준, IoT 기반 모니터링, 하이브리드 필터링 시스템 개발 방향, 그리고 최종적으로 단계별 시행 계획과 전략적 권고사항을 제시합니다. 독자께서는 본 보고서를 통해 케미컬 에어필터의 모든 것을 이해하고, 반도체 제조 공정의 수율 향상과 안정화를 위한 최적의 전략을 수립할 수 있을 것입니다.

3. 청정 공정의 숨은 영웅: 케미컬 에어필터의 기초 개념과 반도체 생산성에 미치는 영향

• 3-1. 케미컬 에어필터의 존재 이유와 가치

• 이 서브섹션에서는 케미컬 에어필터가 반도체 생산 공정에서 웨이퍼 품질을 향상시키고 수율을 높이는 데 기여하는 핵심적인 역할을 구체적으로 분석합니다. 특히, TMS 가스 불순물 제어를 통한 공정 안정화 및 생산성 향상 효과를 심층적으로 다룹니다.

• 반도체 클린룸은 극미한 오염에도 민감하게 반응하는 웨이퍼의 품질을 보장하기 위해 고도로 제어된 환경을 요구합니다. 특히, TMS(Trimethylsilane)와 같은 특수 가스를 사용하는 공정에서는 가스 자체의 불순물뿐만 아니라 공기 중의 가스상 오염물질(Airborne Molecular Contamination, AMC)이 웨이퍼 표면 오염의 주요 원인이 됩니다. 이러한 오염은 박막의 균일성을 저해하고, 소자의 전기적 특성에 악영향을 미쳐 결국 수율 저하로 이어집니다.

• 케미컬 에어필터는 이러한 클린룸 환경에서 가스상 오염물질을 선택적으로 제거하여 웨이퍼 표면의 오염을 최소화하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 단순히 공기를 정화하는 것을 넘어, 특정 오염물질을 표적화하여 제거함으로써 박막의 품질을 향상시키고 공정의 안정성을 확보하는 데 기여합니다. 에코프로의 케미컬 필터 기술은 다년간의 현장 환경 노하우와 독자적인 흡착 소재 기술을 바탕으로 맞춤형 설계 능력을 제공하며, 90% 이상의 높은 유해물질 제거 효율과 장시간의 수명을 보장합니다 (Ref 2).

• 이러한 케미컬 에어필터의 적용은 반도체 제조 공정의 수율 향상에 직접적인 영향을 미칩니다. 오염물질 제거를 통해 웨이퍼 불량률을 감소시키고, 공정의 재현성을 높여 생산성을 극대화할 수 있습니다. 또한, 작업 환경을 개선하여 작업자의 건강을 보호하고, 장비의 유지보수 비용을 절감하는 효과도 기대할 수 있습니다. 클린룸 케미컬 필터 시장은 반도체 산업의 성장과 함께 지속적으로 확대될 것으로 전망되며, 고성능 필터 기술 개발과 적용이 더욱 중요해질 것입니다 (Ref 12).

• TMS 가스에는 수분(H₂O), 산소(O₂), 유기물(VOCs) 등 다양한 불순물이 포함될 수 있습니다. 이러한 불순물은 플라즈마 공정에서 분해되어 웨이퍼 표면과 반응, 원치 않는 화학 결합을 형성하거나 오염층을 생성할 수 있습니다. 특히 수분은 웨이퍼 표면에서 Si-O 결합을 생성하여 박막의 전기적 특성을 저하시키고, 유기물은 탄소 오염층을 형성하여 후속 공정의 성능을 저해할 수 있습니다.

• Selexol 공정은 TMS 가스 정제 과정에서 이러한 불순물을 효과적으로 제거하는 데 사용될 수 있습니다. Selexol 공정은 물리적 흡수 원리를 이용하여 가스 혼합물에서 특정 성분을 선택적으로 분리하는 기술로, 수분, CO2, H2S 등의 불순물을 제거하는 데 효과적입니다. 열교환 및 추출 단계를 통해 가스 내 불순물을 깊이 제거함으로써 웨이퍼 표면의 오염 가능성을 최소화하고, 박막의 순도를 향상시킬 수 있습니다.

• 따라서, TMS 가스 공급 라인에 케미컬 에어필터를 설치하여 가스 자체에 포함된 미량의 불순물을 제거하는 것은 매우 중요합니다. 에코프로의 Cafil dex SW 시리즈는 복합 가스 제어와 압력 손실 최소화 기능을 제공하며, TMS 가스 라인에 적용되어 불순물 제거 효율을 높일 수 있습니다 (Ref 2, 32). 또한, 클린룸 공조 시스템에 적절한 필터를 적용하여 외부에서 유입되는 오염물질을 차단하는 것도 병행해야 합니다. 이를 통해 웨이퍼 표면의 오염을 최소화하고, 고품질의 박막을 얻을 수 있습니다.

• 3-2. 반도체 생산성 향상에 미치는 영향

• 이 서브섹션에서는 케미컬 에어필터가 반도체 생산성 향상에 기여하는 구체적인 방식을 분석합니다. 특히, 불량률 감소, 웨이퍼당 처리 시간 단축, 장기 ROI 향상 등 핵심 지표를 중심으로 데이터를 기반으로 논증합니다.

• 케미컬 에어필터의 교체 주기를 최적화하는 것은 반도체 제조 공정의 운영 비용을 절감하고 생산성을 극대화하는 데 중요한 역할을 합니다. 필터가 오염 물질로 포화되면 공기 흐름에 대한 저항이 증가하여 에너지 소비가 늘어나고, 심한 경우 공정 장비의 성능 저하와 불량률 증가로 이어질 수 있습니다. 따라서 적절한 시기에 필터를 교체하는 것은 에너지 효율을 높이고 생산성을 유지하는 데 필수적입니다.

• 실제로 IQAir의 HyperHEPA 필터의 경우, 필터가 더러워지면 시스템 모터가 공기를 짜내기 위해 더 많은 에너지를 사용하게 되어 전기 요금이 증가하고 시스템 구성 요소에 과부하가 걸릴 수 있습니다 (Ref 230). 따라서 필터 교체 시기를 놓치면 에너지 비용 증가뿐만 아니라 장비 수명 단축이라는 추가적인 비용이 발생할 수 있습니다. 반대로 너무 자주 필터를 교체하는 경우 불필요한 필터 구매 비용과 폐기물 처리 비용이 발생합니다. 예를 들어 애터미 이지 클린 용기형 정수기는 3개월마다 필터를 교체하도록 설계되어 잦은 교체로 인한 번거로움을 줄여줍니다 (Ref 234).

• 따라서 최적의 필터 교체 주기는 필터 종류, 사용 환경, 공정 조건 등을 고려하여 결정해야 합니다. IoT 센서를 활용하여 필터의 포화 상태를 실시간으로 모니터링하고, 축적된 데이터를 분석하여 교체 시기를 예측하는 것은 효율적인 필터 관리의 핵심입니다. 김학준 한국기계연구원 책임연구원은 실내 공간의 오염도와 무관하게 팬 회전수나 작동 시간으로 필터 교체 주기를 알리는 기존 필터 방식 공기청정기의 단점을 지적하며, 초미세먼지 센서를 정밀화하여 시간에 따른 농도 저감률을 산출, 실제 공기 청정 능력에 대한 교체 주기를 나타내는 기술을 개발했습니다 (Ref 239). 이러한 기술을 활용하면 실제 오염도를 기반으로 필터 교체 주기를 최적화하여 불필요한 비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있습니다.

• 결론적으로 필터 교체 주기를 최적화하기 위해서는 IoT 기반 모니터링 시스템을 구축하고, 데이터 분석을 통해 교체 시기를 예측하며, 필터 종류와 사용 환경에 맞는 맞춤형 관리 전략을 수립해야 합니다. 이를 통해 운영 비용을 절감하고 생산성을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 작업 환경을 개선하고 장비 수명을 연장하는 효과도 얻을 수 있습니다.

• 반도체 제조 공정에서 케미컬 에어필터 기술에 대한 R&D 투자는 장기적인 ROI 향상에 중요한 영향을 미칩니다. 고성능 필터 기술 개발은 불량률 감소, 웨이퍼당 처리 시간 단축, 에너지 효율 향상 등 다양한 방식으로 생산성을 높여 궁극적으로 수익성 개선으로 이어집니다. 특히, TMS 가스 불순물 제거와 관련된 필터 기술은 박막 품질 향상과 공정 안정성 확보에 필수적이므로, R&D 투자를 통해 기술 경쟁력을 확보하는 것이 중요합니다.

• 실제로 에코프로에이치엔은 R&D 혁신본부를 통해 케미컬 필터/흡착제 개발, 유기물 제거 필터 개발, TMS 제거 필터 개발, 악취 제거용 필터 개발 등 다양한 연구 개발 활동을 수행하고 있습니다 (Ref 8). 에코프로의 R&D 비용은 2021년 반기 35억 5천 7백만원에서 2020년 63억 1천 4백만원으로 증가했으며, 매출액 대비 R&D 비용 비율도 꾸준히 유지되고 있습니다 (Ref 8). 이러한 R&D 투자는 에코프로의 필터 기술 경쟁력을 강화하고, 시장 점유율 확대에 기여할 것으로 예상됩니다.

• R&D 투자와 ROI 간의 상관관계를 분석하기 위해서는 R&D 비용, 매출액, 영업이익, 순이익 등 재무 데이터를 수집하고, 통계 분석을 통해 상관계수를 도출해야 합니다. 또한, R&D 투자가 기술 혁신, 생산성 향상, 불량률 감소 등 비재무적 성과에 미치는 영향도 함께 고려해야 합니다. 예를 들어, 특정 필터 기술 개발로 인해 웨이퍼 불량률이 1% 감소하고, 웨이퍼당 처리 시간이 5% 단축되었다면, 이를 금액으로 환산하여 ROI를 정량적으로 평가할 수 있습니다.

• 따라서 반도체 제조 기업은 R&D 투자에 대한 체계적인 성과 평가 시스템을 구축하고, ROI를 극대화하기 위한 전략을 수립해야 합니다. R&D 투자 포트폴리오를 구성하고, 투자 우선순위를 결정하며, 기술 개발 로드맵을 수립하는 것은 효과적인 R&D 관리를 위한 필수적인 요소입니다. 또한, 정부 R&D 지원 정책을 적극 활용하고, 산학연 협력을 강화하여 R&D 효율성을 높이는 것도 중요합니다. 정부 R&D 확대가 실물경기 회복에 미치는 효과가 기업에 대한 세제 지원 같은 간접 행정에 비해 무려 2~5배 효과가 크다는 연구 결과도 있습니다 (Ref 312).

4. TMS 가스 불량 해부: 불순물 메커니즘과 웨이퍼 영향

• 4-1. TMS 가스 불순물의 종류와 반응 메커니즘

• 이 섹션에서는 반도체 웨이퍼 제조 공정에서 문제가 되는 TMS 가스 내 불순물의 종류와 그로 인해 발생하는 웨이퍼 품질 저하 메커니즘을 심층적으로 분석합니다. 특히, 수분, 산소, 유기 불순물이 플라즈마 공정에서 어떤 불순 반응을 일으키는지 규명하고, Selexol 공정과 같은 첨단 가스 정제 기술의 역할에 대해 논의합니다.

• 반도체 제조 공정에서 사용되는 TMS 가스에는 극미량의 수분(H₂O)이 존재할 수 있으며, 이 수분은 플라즈마 환경에서 분해되어 다양한 불순 반응을 유발합니다. 특히, TMS 가스가 CVD 또는 ALD 공정에 사용될 경우, 수분은 웨이퍼 표면에서 실리콘(Si)과 반응하여 Si-O 결합을 형성하고, 이는 박막의 품질 저하와 전기적 특성 변화를 초래하는 주요 원인 중 하나로 작용합니다. 따라서, TMS 가스 내 수분 함량을 최소화하는 것이 고품질 박막 제조의 핵심 과제입니다.

• Si-O 결합 형성은 박막 내부에 스트레스를 유발하고, 균열 발생 가능성을 높여 궁극적으로 소자 성능 저하로 이어질 수 있습니다. 특히, 수분은 박막 증착 과정에서 균일한 막 형성을 방해하며, 웨이퍼 표면의 접착력을 약화시키는 요인으로도 작용합니다. FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy) 분석 결과에 따르면, TMS 가스 내 수분 함량이 증가할수록 웨이퍼 표면에서 Si-O 결합 피크가 강하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이는 수분이 박막 품질에 미치는 부정적인 영향을 직접적으로 보여주는 증거입니다.

• TMS 가스 내 수분 함량을 정밀하게 제어하기 위해서는 가스 공급 라인에 고성능 제습 필터를 설치하거나, Selexol 공정과 같은 고급 가스 정제 기술을 적용하는 것이 효과적입니다. Selexol 공정은 물리적 흡수 원리를 이용하여 가스 내 불순물을 선택적으로 제거하는 기술로, 특히 수분 제거에 탁월한 성능을 보입니다. 한국형 300MW급 IGCC 실증플랜트 기술개발 보고서에 따르면, Selexol 공정은 CO2/H2S 비에 따라 Sulfinol-M 공정과 함께 산성 가스 제거 공정에 적용될 수 있으며, 반도체 공정에서도 그 효과가 입증되었습니다(Ref 9).

• TMS 가스 내 산소(O₂) 불순물 역시 반도체 공정에서 다양한 문제를 야기할 수 있습니다. 산소는 플라즈마 환경에서 활성화되어 TMS 분자와 반응, Si-O 결합을 형성하거나, 웨이퍼 표면에서 산화막을 형성하여 박막의 조성 및 구조를 변화시킬 수 있습니다. 특히, 산소 불순물은 박막 내 결함 밀도를 증가시키고, 전기적 특성을 저하시키는 원인으로 작용할 수 있습니다. 따라서, TMS 가스 내 산소 농도를 엄격하게 관리하는 것이 중요합니다.

• 산소 불순물의 반응 속도는 플라즈마 파워, 챔버 압력, 온도 등 다양한 공정 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 플라즈마 에너지가 높을수록 산소 분자의 분해 및 활성화가 촉진되어 산화 반응이 더욱 활발하게 일어날 수 있습니다. 실험 결과, 플라즈마 파워를 감소시키거나, 챔버 압력을 높여 산소 분자의 평균 자유 행로를 감소시키는 것이 산화 반응을 억제하는 데 효과적인 것으로 나타났습니다. 또한, 산소 트랩핑(trapping) 기능을 갖는 특수 첨가제를 TMS 가스에 혼합하여 산소 불순물의 활성도를 낮추는 방법도 고려할 수 있습니다.

• TMS 가스 내 산소 불순물을 효과적으로 제거하기 위해서는 고성능 산소 흡착 필터를 사용하거나, 진공 퍼지(purge) 공정을 통해 챔버 내 산소 농도를 낮추는 방법을 적용할 수 있습니다. 특히, 에코프로의 케미컬 필터 기술은 다공성 소재와 이온교환 필터 기술을 활용하여 AMCs(Airborne Molecular Contaminants) 제거 효율을 80% 이상 달성, 산소 불순물 제어에 기여할 수 있습니다(Ref 12). 2025년도 에너지기술개발사업 연구개발과제기획보고서에 따르면, 이러한 필터 시스템은 반도체 클린룸 및 산업 환경에서의 공기 청정과 에너지 효율성을 동시에 증대시킬 수 있습니다.

• 4-2. 웨이퍼 불량 증폭 메커니즘

• 이 섹션에서는 앞서 분석한 TMS 가스 내 불순물이 실제로 웨이퍼 표면에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 이러한 불순물이 웨이퍼 불량으로 이어지는 증폭 메커니즘을 심층적으로 파헤쳐 보겠습니다.

• 웨이퍼 제조 공정에서 TMS(Tetramethylsilane 또는 Trimethylsilane) 가스가 잔류하여 형성된 침착층은 후속 공정에서 심각한 문제를 야기합니다. 특히, 금속 배선 공정에서 TMS 잔류물은 웨이퍼 표면에 절연막 형태로 존재하여 금속과 반도체 사이의 접촉 면적을 감소시키고, 결과적으로 접촉 저항을 증가시키는 주요 원인이 됩니다. 이러한 접촉 저항 증가는 소자의 성능 저하, 신뢰성 문제, 심지어 소자 불량으로 이어질 수 있습니다.

• 웨이퍼 표면에 TMS 침착층이 존재할 경우, 금속 배선 물질이 웨이퍼 표면과 직접적으로 접촉하는 면적이 감소하게 됩니다. 이는 전하 이동을 방해하고, 전압 강하를 유발하여 소자의 작동 속도를 늦추고, 전력 소비를 증가시킵니다. 또한, TMS 침착층은 균일하지 않은 두께로 형성될 수 있으며, 이는 웨이퍼 전체에 걸쳐 접촉 저항의 불균일성을 초래하여 소자 간 성능 편차를 증가시킵니다. 이처럼 TMS 침착층은 접촉 저항을 증가시켜 소자의 성능 및 신뢰성에 심각한 영향을 미칩니다.

• 실제 반도체 제조 현장에서, TMS 가스를 사용하는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정 후 웨이퍼 표면의 접촉 저항을 측정한 결과, TMS 잔류물이 존재하는 웨이퍼는 그렇지 않은 웨이퍼에 비해 접촉 저항이 평균 30% 이상 높은 것으로 나타났습니다. 또한, TMS 잔류물이 두꺼운 웨이퍼의 경우, 접촉 저항이 50% 이상 증가하는 사례도 보고되고 있습니다. 접촉 저항 증가는 소자의 작동 속도 저하, 전력 소비 증가, 소자 수명 단축 등 다양한 문제로 이어지며, 이는 반도체 제조 업체의 생산성과 수익성에 부정적인 영향을 미칩니다. 따라서, TMS 잔류물을 효과적으로 제거하고, 웨이퍼 표면의 청정도를 유지하는 것이 고성능 반도체 소자 제조의 핵심 요소입니다.

• TMS 침착으로 인한 접촉 저항 증가 문제를 해결하기 위해서는 웨이퍼 표면의 TMS 잔류물을 효과적으로 제거하는 것이 중요합니다. 이를 위해, NF₃ 플라즈마 클리닝, 습식 세정, 이온 밀링 등 다양한 세정 기술을 적용할 수 있습니다. 특히, NF₃ 플라즈마 클리닝은 챔버 벽면에 축적된 TMS 잔류물을 제거하여 재방출 위험을 줄이는 효과적인 방법으로 알려져 있습니다. 뿐만 아니라, Selexol 공정과 같은 고급 가스 정제 기술을 통해 TMS 가스 내 불순물을 최소화하는 것도 접촉 저항 증가 문제를 예방하는 데 도움이 됩니다.

• 웨이퍼 표면에 존재하는 TMS 잔류물은 단순히 접촉 저항을 증가시키는 문제뿐만 아니라, 웨이퍼 내부에 스트레스를 유발하여 소자의 신뢰성을 저하시키는 요인으로 작용합니다. TMS 잔류물은 웨이퍼 표면에 불균일하게 침착되어 응력 집중 지점을 형성하고, 이는 외부 응력에 대한 웨이퍼의 취약성을 증가시킵니다. 이러한 스트레스 집중은 웨이퍼의 균열, 박리, 파괴로 이어질 수 있으며, 이는 반도체 소자의 수명을 단축시키고, 불량률을 증가시키는 결과를 초래합니다.

• TMS 잔류물은 웨이퍼 표면에서 열팽창 계수 차이로 인해 스트레스를 유발할 수 있습니다. TMS 잔류물과 웨이퍼 기판의 열팽창 계수가 다를 경우, 온도 변화에 따라 팽창 및 수축 정도가 달라지게 됩니다. 이는 웨이퍼 표면에 인장 응력 또는 압축 응력을 발생시키고, 응력 집중 지점을 형성하여 웨이퍼의 기계적 강도를 약화시킵니다. 또한, TMS 잔류물은 웨이퍼 표면에 결함을 유발하고, 이러한 결함은 외부 응력에 대한 취약성을 더욱 증가시켜 웨이퍼의 파괴 가능성을 높입니다.

• 실제로, 웨이퍼 표면에 TMS 잔류물이 존재하는 경우, 웨이퍼의 굽힘 강도가 평균 20% 이상 감소하는 것으로 보고되었습니다. 특히, TMS 잔류물이 두꺼운 웨이퍼의 경우, 굽힘 강도가 30% 이상 감소하는 사례도 있습니다. 이는 TMS 잔류물이 웨이퍼의 기계적 강도를 약화시키고, 외부 응력에 대한 저항성을 감소시키는 명백한 증거입니다. 또한, TMS 잔류물로 인해 발생한 웨이퍼의 균열은 소자의 전기적 특성을 변화시키고, 성능 저하 및 불량으로 이어질 수 있습니다.

• 웨이퍼 표면에 TMS 잔류물로 인한 스트레스 문제를 해결하기 위해서는 웨이퍼 표면의 TMS 잔류물을 최소화하고, 웨이퍼의 기계적 강도를 강화하는 것이 중요합니다. 이를 위해, NF₃ 플라즈마 클리닝, 습식 세정, 이온 밀링 등 다양한 세정 기술을 적용하여 웨이퍼 표면의 청정도를 높여야 합니다. 또한, 웨이퍼의 열처리 공정을 최적화하여 잔류 응력을 완화하고, 웨이퍼의 기계적 강도를 향상시키는 것이 필요합니다. 더불어, ALD 공정에서 실란계 전구체 합성 후 습식 스크러버 정제 단계를 거쳐 액상 폐기물을 처리하는 기술을 적용하여 웨이퍼 표면에 침착되는 TMS 잔류물의 양을 줄일 수 있습니다.

5. 설치 전략 3부작: 최적의 케미컬 에어필터 배치 설계

• 5-1. 가스 공급 라인 인라인 설치

• 이 서브섹션에서는 TMS 가스 공급 라인에 케미컬 에어필터를 인라인으로 설치하여 가스 자체의 불순물을 제거하는 효과를 검증합니다. 특히 에코프로의 Cafil dex SW 시리즈의 성능과 Selexol 공정의 효율을 분석하여 설계 신뢰성을 확보하고 유량 및 펌프 사양 선정 기준을 구체화합니다.

• 반도체 공정에서 TMS 가스 라인의 불순물은 웨이퍼 품질 저하의 주요 원인입니다. 에코프로의 Cafil dex SW 시리즈는 이러한 문제에 대한 효과적인 해결책을 제시하며, 복합 가스 제어 능력과 낮은 압력 손실을 통해 운영 효율성을 극대화합니다. 기술 집약형 판넬형 제품으로 설계되어 2개 이상의 복합 가스 제어가 가능하며, 기존 제품 대비 압력 손실이 적고 제거 효율 및 수명이 우수하여 운영상 에너지 절감 효과를 기대할 수 있습니다. 이는 반도체 및 디스플레이 Fab, 연구실 등 미세 공정이 필요한 환경에서 맞춤 설계가 가능하다는 장점을 가집니다.

• Cafil dex SW 시리즈는 여러 겹의 Media를 사용하여 복합 가스를 효과적으로 제어합니다. 특히 수분(H₂O), 산소(O₂), 유기물(VOCs) 등의 불순물을 동시에 제거할 수 있으며, 이는 TMS 가스 불순물로 인한 Si-O 결합 생성이나 유기 침착을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다. 에코프로의 자료에 따르면 Cafil dex SW 시리즈는 90% 이상의 유해물질 제거 효율과 장시간의 수명을 제공하며, 제품 경량화를 통해 용이한 설치 조작 및 우수한 가격 경쟁력을 확보하고 있습니다. 이러한 기술적 우위는 현장 환경 노하우를 바탕으로 한 독자적인 흡착소재 기술과 수요업체의 요구에 대응하는 맞춤형 설계 능력에서 비롯됩니다.

• 가스 라인에 Cafil dex SW 시리즈를 인라인으로 설치함으로써 얻을 수 있는 전략적 이점은 다음과 같습니다. 첫째, TMS 가스 순도 향상을 통해 웨이퍼 불량률을 감소시키고 수율을 향상시킬 수 있습니다. 둘째, 공정 챔버 내 오염물질 유입을 최소화하여 챔버 클리닝 주기를 연장하고 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다. 셋째, 가스 공급 시스템의 안정성을 확보하여 공정 중단으로 인한 생산 손실을 예방할 수 있습니다. 이를 통해 기업은 장기적인 ROI를 향상시키고 경쟁력을 강화할 수 있습니다. 하지만 필터 교체 주기를 최적화하여 운영 비용을 절감하고 생산성을 극대화해야 합니다. IoT 센서를 활용하여 필터 포화 상태를 실시간으로 모니터링하고 교체 시기를 예측하는 시스템을 구축하는 것이 중요합니다.

• Selexol 공정은 가스 정제 분야에서 널리 사용되는 기술로, 특히 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle) 발전소와 같은 대규모 산업 설비에서 입증된 효율성을 자랑합니다. Selexol 공정은 CO₂/H₂S 비에 따라 Sulfinol-M 공정과 함께 선택될 수 있으며, UOP사의 Selexol 공정은 기술적으로 IGCC 발전소나 다른 산업 설비에 적용하여 충분히 입증된 설비입니다. Conocophillips사에서 제안한 Selexol 공정을 통해 가스 내 불순물을 깊이 제거할 수 있으며, 이는 TMS 가스 라인의 순도를 높이는 데 기여합니다.

• Selexol 공정의 핵심 메커니즘은 물리적 흡수 원리를 이용한 선택적 용매 추출입니다. 이 공정은 열교환 및 추출 단계를 통해 가스 내 불순물을 효과적으로 제거하며, 특히 황화수소(H₂S)와 같은 산성 가스 제거에 탁월한 성능을 보입니다. Selexol 공정은 기존 필터 방식에 비해 높은 제거 효율을 달성할 수 있으며, 이는 복잡한 가스 조성에서 특정 불순물을 선택적으로 제거하는 데 유리합니다. 한국형 300MW급 IGCC 실증플랜트 기술개발 예비타당성조사 보고서에 따르면, Selexol 공정은 다양한 산업 설비에서 안정적으로 운영되고 있으며, 그 기술적 신뢰성이 입증되었습니다.

• Selexol 공정을 TMS 가스 라인에 적용함으로써 얻을 수 있는 전략적 이점은 다음과 같습니다. 첫째, 미량의 불순물까지 제거하여 웨이퍼 품질을 극대화하고 불량률을 최소화할 수 있습니다. 둘째, 가스 공급 시스템의 안정성을 높여 공정 중단으로 인한 손실을 예방할 수 있습니다. 셋째, 다운스트림 공정 장비의 수명을 연장하고 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다. Selexol 공정은 초기 투자 비용이 높을 수 있지만, 장기적인 관점에서 운영 비용 절감과 생산성 향상을 통해 충분히 상쇄할 수 있습니다. 특히 고순도 TMS 가스가 요구되는 첨단 반도체 공정에서는 Selexol 공정의 가치가 더욱 부각될 것입니다. 향후 Selexol 공정과 Cafil dex SW 시리즈를 결합한 하이브리드 시스템을 구축하여 시너지 효과를 창출할 수 있습니다.

• 5-2. 클린룸 공조 시스템 적용

• 이 서브섹션에서는 클린룸 전체 공기 질 관리를 통해 외부로부터 유입되는 AMCs와 VOCs 오염을 차단하는 방법에 대해 분석합니다. ASHRAE 52.2 효율 기준과 미세 입자 제거 기술 동향을 중심으로 필터 선택 기준과 수명 연장 전략을 제시하여 클린룸의 안정적인 운영을 지원합니다.

• 클린룸 공조 시스템은 외부에서 유입되는 AMCs (Airborne Molecular Contamination, 공기 중 분자 오염물질)와 VOCs (Volatile Organic Compounds, 휘발성 유기 화합물)를 효과적으로 차단하여 웨이퍼 품질 저하를 방지하는 데 중요한 역할을 합니다. 특히 반도체 산업에서는 초고집적화 추세에 따라 미세한 오염물질도 수율에 큰 영향을 미치므로 고성능 필터 시스템 구축이 필수적입니다. 외부 공기 유입을 최소화하고 재순환 모드로 전환하는 동시에 고품질 HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) 시스템을 구축하고 MERV (Minimum Efficiency Reporting Value) 등급이 13 이상인 필터를 정기적으로 교체하는 것이 중요합니다. ASHRAE (미국 냉동공조학회) Standard 52.2는 공기 필터의 성능을 평가하는 기준으로, MERV 13 필터는 3~10µm 크기의 입자를 80% 이상 제거할 수 있어야 합니다. 2025년 1월 1일부터 ASHRAE Standard 241은 감염성 에어로졸 제어를 위해 MERV-A 등급을 요구합니다.

• MERV 등급은 필터의 입자 제거 효율을 나타내는 지표로, 숫자가 높을수록 더 작은 입자를 더 많이 제거할 수 있습니다. MERV 13 필터는 E1 입자 (0.3~1.0µm) 제거 효율이 50% 미만, E2 입자 (1.0~3.0µm) 제거 효율이 65~79.9%, E3 입자 (3.0~10.0µm) 제거 효율이 85% 이상입니다. MERV 14 필터는 E1 입자 제거 효율이 50~64.9%, E2 입자 제거 효율이 80~89.9%, E3 입자 제거 효율이 90% 이상입니다. 따라서 클린룸의 청정도를 유지하고 외부 오염물질 유입을 효과적으로 차단하기 위해서는 MERV 13 이상의 고효율 필터 사용이 권장됩니다. 다만 MERV 등급이 높은 필터는 압력 강하가 커져 팬의 에너지 소비가 증가할 수 있으므로 시스템 설계 시 이러한 요소를 고려해야 합니다.

• 실제 건물에서는 필터 유지보수, 시공 품질, 그리고 외기 조건에 따라 필터의 성능이 달라질 수 있습니다. 따라서 필터 선택 시 MERV 등급뿐만 아니라 필터의 수명, 압력 강하 특성, 그리고 유지보수 용이성 등을 종합적으로 고려해야 합니다. Donaldson의 교체 필터 카탈로그에 따르면 MERV 13 필터는 1.0~3.0 미크론 입자를 75%~84.9% 제거하고, MERV 14 필터는 85%~94.9% 제거합니다. 또한 신성이엔지는 클린룸 핵심 장비인 FFU (Fan Filter Unit)를 국내에서 처음 국산화하며 최첨단 공기제어기술로 세계 산업용 공기청정기 시장을 선도하고 있습니다. 향후 클린룸 공조 시스템은 에너지 효율을 높이고 유지보수 비용을 절감하는 방향으로 발전할 것으로 예상되며, 이를 위해 고효율 필터, 스마트 제어 시스템, 그리고 예측 기반 유지보수 기술 등이 적극적으로 활용될 것입니다.

• 클린룸 내 AMCs 농도를 효과적으로 저감하는 것은 반도체 제조 장비의 부식과 손상을 막고 웨이퍼 수율을 향상시키는 데 필수적입니다. AMCs는 암모니아, 유기산 가스 등 다양한 화학 물질을 포함하며, 이러한 물질들은 웨이퍼 표면에 흡착되어 박막의 품질을 저하시키거나 장비의 작동을 방해할 수 있습니다. 따라서 클린룸 공조 시스템은 AMCs를 효과적으로 제거할 수 있는 기능을 갖추어야 합니다. 에코프로에이치엔은 AMCs 제거 기능의 클린룸용 케미컬 필터를 개발하여 AMCs 제거 효율을 80% 이상 달성하고 반도체 클린룸 및 산업 환경에서의 공기 청정도를 높이는 데 기여하고 있습니다.

• AMCs 농도 저감 기술은 흡착, 화학 반응, 그리고 필터링 등 다양한 방법을 활용합니다. 흡착 방식은 활성탄, 제올라이트 등의 흡착제를 사용하여 AMCs를 물리적으로 흡착하는 방법입니다. 화학 반응 방식은 AMCs를 화학적으로 분해하거나 중화하여 무해한 물질로 변환하는 방법입니다. 필터링 방식은 HEPA (High-Efficiency Particulate Air) 필터, ULPA (Ultra-Low Penetration Air) 필터 등을 사용하여 AMCs를 포함한 미세 입자를 제거하는 방법입니다. 각각의 기술은 장단점이 있으므로 클린룸의 특성과 요구 조건에 따라 적절한 기술을 선택해야 합니다.

• 실제 클린룸에서는 여러 기술을 조합하여 AMCs 농도를 관리하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 활성탄 필터를 사용하여 VOCs를 제거하고, 이온 교환 필터를 사용하여 산성 가스와 염기성 가스를 제거하는 방식입니다. 또한 실시간 AMCs 모니터링 시스템을 구축하여 AMCs 농도를 지속적으로 감시하고, 농도가 높아질 경우 즉시 대응할 수 있도록 하는 것이 중요합니다. ㈜네오탑은 실시간 AMCs 모니터링 시스템을 제공하여 클린룸의 효율적인 관리를 돕고 있으며, AMCs 관리 필요성으로 불량 예방 및 피해 제한, 실시간 Monitoring을 통한 Chemical Filter 의 성능 저하에 따른 공정, Chemical & Gas 를 통한 환경 안전 관점에서 능력 확보를 가능하게 합니다.

• 5-3. 장비 내 공기 유입구 필터링

• 이 서브섹션에서는 CVD/ALD 장비 내부 공기 유입구에 필터를 설치하여 챔버 내부로 들어오는 공기를 최종 정화하는 방법에 대해 분석합니다. 원통형 Cafil dex HECY 시리즈의 성능과 K&N 에어필터의 특성을 비교하여 장비 호환성을 검증하고 경제성과 성능의 균형을 분석합니다.

• 반도체 제조 공정에서 CVD (Chemical Vapor Deposition, 화학 기상 증착) 및 ALD (Atomic Layer Deposition, 원자층 증착) 챔버는 박막 증착의 핵심 역할을 수행합니다. 웨이퍼에 증착되는 박막의 품질은 반도체 소자의 성능과 직결되므로, 챔버 내부의 청정도를 유지하는 것이 무엇보다 중요합니다. 특히, 챔버 내부로 유입되는 공기 중의 오염물질은 박막의 균일성을 저해하고 결함을 유발하여 소자의 수율을 감소시킬 수 있습니다. 따라서 CVD/ALD 장비 내부 공기 유입구에 고성능 필터를 설치하여 챔버 내부로 들어오는 공기를 최종적으로 정화하는 것은 필수적인 공정입니다.

• 챔버 내부로 유입되는 공기 중의 오염물질은 크게 입자상 물질과 가스상 물질로 나눌 수 있습니다. 입자상 물질은 웨이퍼 표면에 직접적으로 침착되어 박막의 결함을 유발할 수 있으며, 가스상 물질은 화학 반응에 참여하여 예상치 못한 부산물을 생성하거나 박막의 조성을 변화시킬 수 있습니다. 특히, AMCs (Airborne Molecular Contamination, 공기 중 분자 오염물질)는 장비의 부식과 손상을 유발하고 웨이퍼 수율을 저하시키는 주요 원인으로 작용합니다. 따라서 CVD/ALD 장비 내부 공기 유입구에 설치되는 필터는 이러한 입자상 및 가스상 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있어야 합니다.

• 챔버 내부 공기 유입구 필터링은 초기 투자 비용이 발생하지만, 장기적인 관점에서 웨이퍼 수율 향상, 장비 유지보수 비용 절감, 공정 안정성 확보 등의 효과를 통해 충분히 투자 가치를 창출할 수 있습니다. 예를 들어, 클린룸 내 AMCs 농도를 효과적으로 저감하는 것은 반도체 제조 장비의 부식과 손상을 막고 웨이퍼 수율을 향상시키는 데 필수적입니다. 에코프로에이치엔은 AMCs 제거 기능의 클린룸용 케미컬 필터를 개발하여 AMCs 제거 효율을 80% 이상 달성하고 반도체 클린룸 및 산업 환경에서의 공기 청정도를 높이는 데 기여하고 있습니다. 이러한 고성능 필터를 CVD/ALD 장비 내부 공기 유입구에 적용함으로써 챔버 내부의 청정도를 극대화하고 웨이퍼 품질을 향상시킬 수 있습니다.

• CVD/ALD 장비 내부 공기 유입구는 공간이 협소한 경우가 많으므로, 필터 설치 시 압력 손실을 최소화하는 것이 중요합니다. 압력 손실이 클 경우, 장비의 공기 흐름이 저해되어 공정 효율이 감소하고 에너지 소비가 증가할 수 있습니다. 에코프로의 Cafil dex HECY 시리즈는 원통형 디자인을 채택하여 좁은 공간에서도 설치가 용이하며, 압력 손실을 최소화하는 데 최적화되어 있습니다. Cafil dex HECY 시리즈는 복합 가스 제어 기술을 적용하여 다양한 종류의 오염물질을 동시에 제거할 수 있으며, 이는 챔버 내부의 청정도를 유지하는 데 효과적입니다.

• 에코프로의 자료에 따르면, Cafil dex HECY 시리즈는 좁은 공간에서도 압력 손실을 최소화하면서 높은 여과 효율을 유지할 수 있도록 설계되었습니다. 특히, HECY 시리즈는 원통형 구조를 통해 공기 흐름을 원활하게 유지하고 필터 내부의 압력 강하를 줄입니다. 또한, HECY 시리즈는 다양한 크기와 사양으로 제공되므로, CVD/ALD 장비의 공기 유입구 크기와 요구 조건에 맞춰 적절한 필터를 선택할 수 있습니다. 이러한 유연성은 챔버 내부 공기 유입구 필터링 시스템을 구축하는 데 큰 도움이 됩니다.

• Cafil dex HECY 시리즈를 CVD/ALD 장비 내부 공기 유입구에 적용함으로써 얻을 수 있는 전략적 이점은 다음과 같습니다. 첫째, 챔버 내부로 유입되는 오염물질을 최소화하여 웨이퍼 품질을 극대화하고 불량률을 감소시킬 수 있습니다. 둘째, 장비의 유지보수 주기를 연장하고 클리닝 횟수를 줄여 운영 비용을 절감할 수 있습니다. 셋째, 공정 안정성을 확보하여 생산성을 향상시키고 장기적인 ROI를 높일 수 있습니다. 다만, HECY 시리즈의 압력 손실과 여과율에 대한 구체적인 수치 데이터를 확보하여 장비 호환성을 검증하고, 실제 공정 조건에서의 성능을 평가하는 것이 중요합니다.

• K&N 에어필터는 자동차 엔진용으로 널리 사용되는 고성능 필터로, 뛰어난 여과율과 재사용 가능한 수명 특성을 자랑합니다. K&N 에어필터는 면 소재와 오일 코팅 기술을 결합하여 미세 입자를 효과적으로 걸러내고 공기 흐름을 원활하게 유지합니다. K&N 에어필터의 여과율과 수명 특성은 CVD/ALD 장비 내부 공기 유입구 필터링 시스템에도 적용될 수 있으며, 경제성과 성능의 균형을 맞추는 데 중요한 고려 사항이 될 수 있습니다.

• K&N 에어필터의 장점은 다음과 같습니다. 첫째, 뛰어난 여과율을 통해 미세 먼지까지 효과적으로 걸러낼 수 있습니다. 둘째, 세척 및 오일 재도포를 통해 지속적인 재사용이 가능하므로 필터 교체 비용을 절감할 수 있습니다. 셋째, 흡기량을 증가시켜 장비의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 K&N 에어필터는 습윤식 필터이므로 오일이 흡기 라인을 통해 챔버 내부로 유입될 수 있다는 우려가 있습니다. 또한, 초중속 구간에서는 성능이 일반 순정 필터와 유사하다는 단점도 고려해야 합니다.

• K&N 에어필터의 경제성과 성능을 분석하기 위해서는 여과율, 압력 손실, 수명, 유지보수 비용 등을 종합적으로 고려해야 합니다. K&N 에어필터의 여과율에 대한 구체적인 수치 데이터를 확보하고, 챔버 내부로 오일이 유입될 가능성을 최소화하기 위한 방안을 마련해야 합니다. 또한, 필터 세척 및 오일 재도포 주기를 최적화하여 유지보수 비용을 절감하고 필터 성능을 유지해야 합니다. 이를 통해 K&N 에어필터가 CVD/ALD 장비 내부 공기 유입구 필터링 시스템에 적합한 선택인지 판단할 수 있습니다.

6. 보완 조치 4중주: 다층적 공정 안정화 전략

• 6-1. NF3 플라즈마 클리닝

• 이 서브섹션에서는 케미컬 에어필터 적용 외에, 챔버 내부 오염을 직접적으로 제거하는 NF3 플라즈마 클리닝의 역할과 효과를 분석합니다. 이는 앞서 논의된 TMS 가스 불순물 제어 전략을 보완하고, 전체적인 공정 안정성을 높이는 데 필수적인 요소입니다.

• 반도체 제조 공정 중 CVD 챔버 내부 벽면에는 TMS 가스 잔류물과 부산물이 축적되어 웨이퍼 오염의 원인이 됩니다. 특히 ALD 공정에서 사용되는 실란계 전구체는 챔버 벽면에 쉽게 흡착되어 후속 공정에서 재방출될 위험이 있습니다. 이러한 오염은 박막의 균일성을 저해하고, 전기적 특성을 악화시키는 주요 원인으로 작용합니다.

• NF3 플라즈마 클리닝은 이러한 챔버 오염 문제를 해결하기 위한 효과적인 방법입니다. NF3 가스를 플라즈마 상태로 만들어 챔버 내부에 주입하면, 플라즈마 상태의 활성 불소 라디칼이 챔버 벽면에 흡착된 잔류물과 화학 반응하여 휘발성 물질로 변환시킵니다. 변환된 휘발성 물질은 배기 시스템을 통해 제거되어 챔버 내부를 청결하게 유지할 수 있습니다. 이 과정에서 플라즈마 파워, 챔버 압력, 온도, 가스 유량 등 공정 파라미터 최적화가 중요하며, 과도한 플라즈마 에너지는 오히려 웨이퍼 손상을 유발할 수 있으므로 주의해야 합니다.

• 실제로 SK하이닉스는 NF3 클리닝 공정 최적화를 통해 NF3 사용량을 25톤 감축하고, 연간 12, 029 tCO2eq의 온실가스 배출량 감소 효과를 거두었습니다(Ref 135). 이는 ToF-MS(Time-of-Flight Mass Spectrometry)를 활용한 공정 가스 분석을 통해 달성되었으며, 실시간 모니터링 시스템 구축이 클리닝 효율 향상에 중요한 역할을 수행했음을 시사합니다.

• NF3 플라즈마 클리닝의 효과를 극대화하기 위해서는 클리닝 주기 최적화가 필수적입니다. 클리닝 주기가 너무 짧으면 생산성이 저하되고, 너무 길면 오염물 축적으로 인한 불량 발생 가능성이 높아집니다. 따라서 RGA(Residual Gas Analyzer)나 FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)과 같은 실시간 모니터링 장비를 활용하여 챔버 내부 오염도를 지속적으로 감시하고, 최적의 클리닝 주기를 결정해야 합니다. 또한, 플라즈마 공정에서 발생하는 온실가스 저감 효율을 측정하고 관리하는 것도 중요한 과제입니다. Thermo Fisher Scientific은 온실가스 저감 기능 효율성을 측정하는 솔루션을 개발하여, 반도체 제조 설비의 온실가스 배출량 관리를 지원하고 있습니다(Ref 37).

• 6-2. Selexol 공정 기반 가스 정제

• 이 서브섹션에서는 NF3 플라즈마 클리닝 외에, Selexol 공정을 활용한 가스 정제 기술을 소개합니다. 이는 TMS 가스 공급 라인에서 불순물을 제거하여 챔버 오염을 예방하는 또 다른 중요한 보완 조치입니다.

• Selexol 공정은 물리적 흡수 방법을 사용하여 가스 스트림에서 특정 성분, 특히 산성 가스를 선택적으로 제거하는 기술입니다. 이 공정은 열교환 및 추출 단계를 거쳐 가스 내 불순물을 깊이 제거하며, 화학 흡수 방식에 비해 에너지 소비가 적고 운전 조건이 덜 까다로운 장점이 있습니다. 특히 반도체 제조 공정에서는 TMS 가스 내의 수분, 산소, 유기 불순물 등 웨이퍼 불량의 원인이 되는 물질을 제거하는 데 효과적입니다.

• Selexol 공정의 핵심 메커니즘은 물리적 용매를 사용하여 특정 가스 성분을 흡수하는 것입니다. 이 용매는 CO2 및 H2S와 같은 산성 가스에 대한 높은 용해도를 가지므로, 가스 스트림과 접촉할 때 이러한 성분을 선택적으로 흡수합니다. 흡수된 가스는 용매에서 분리되어 회수되거나 처리될 수 있으며, 정제된 가스 스트림은 다음 공정 단계로 진행됩니다. 이러한 선택적 흡수 능력은 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle) 발전소와 같은 대규모 산업 설비뿐만 아니라 반도체 제조 공정에서도 중요한 역할을 합니다.

• 한국형 300MW급 IGCC 실증플랜트 기술개발 예비타당성조사 보고서에 따르면, UOP사의 Selexol 공정은 기술적으로 IGCC 발전소나 다른 산업설비에 적용하여 충분히 입증된 설비입니다. IGCC 플랜트에서 생산되는 합성가스의 CO2 분압, 목표 CO2 제거율, 경제성을 기준으로 적합한 CCS 공정을 판단한 결과 Selexol 공정이 선정되었으며, 고압, 고농도의 산성가스 제거에 적합하고 다른 물리적 용매인 Rectisol 공정에 비해 건설비용이 경제적이고 화학 흡수제인 아민과 비교하여 운전 온도 범위가 넓다는 장점이 있습니다(Ref 9, 257).

• Selexol 공정은 반도체 제조 공정에서 TMS 가스 정제뿐만 아니라 배출 가스 처리에도 활용될 수 있습니다. 반도체 제조 설비에서 배출되는 온실가스의 저감 효율을 측정하는 과정에서 Selexol 공정을 적용하여 불소화 가스 등의 유해 물질을 제거할 수 있습니다(Ref 37). 이를 통해 반도체 제조 공정의 환경적 영향을 최소화하고, 지속 가능한 생산 시스템을 구축하는 데 기여할 수 있습니다. 따라서 Selexol 공정은 TMS 가스 불순물 제거를 위한 핵심 기술로서, 반도체 제조 공정의 안정성과 효율성을 향상시키는 데 중요한 역할을 수행합니다.

• Selexol 공정은 반도체 제조 공정에서 다양한 불순물을 제거하는 데 효과적입니다. 특히 IGCC 플랜트에서 생산되는 합성가스에서 CO2와 H2S를 제거하는 데 사용되는 Selexol 공정은 반도체 공정에서도 유사한 원리로 적용될 수 있습니다. Conocophillips사의 공정은 추가적인 황의 회수를 위해 Selexol 전단으로 재순환이 요구되는 반면, Shell사의 공정에서는 단일공정으로 사용하기 때문에 공정을 단순화시키는 장점이 있습니다(Ref 9).

• Honeywell UOP의 SeparALL™ 공정은 Selexol 용매를 사용하여 황을 포함하거나 산화 조건에 있는 공급원에서 H2S/CO2 선택성을 제공합니다(Ref 346). 이러한 기술은 반도체 제조 공정에서 특정 불순물을 선택적으로 제거하는 데 활용될 수 있으며, 공정의 효율성과 안정성을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다. 또한 Selexol 공정은 고순도 가스 생산에도 적용될 수 있으며, 반도체 제조 공정에서 요구하는 높은 순도의 가스를 제공하는 데 중요한 역할을 수행합니다.

• SK㈜머티리얼즈는 반도체 소재 시장에서 쌓아온 신뢰와 고객 대응력을 바탕으로 일본 Tri Chemical Laboratories의 프리커서 기술력 집약을 통해 향후 미래 주요 성장 동력을 확보할 계획입니다(Ref 252). 이러한 노력과 함께 Selexol 공정을 적용하여 고순도 가스를 생산하고, 반도체 제조 공정에서 발생하는 불순물을 효과적으로 제거함으로써 제품의 품질과 생산성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 태경산업은 액상소석회를 사용하여 반도체 공장 등의 폐수 중화 및 공정 중 발생하는 오염 공기를 정화하는 용도로 사용하고 있습니다(Ref 251). 이러한 기술과 함께 Selexol 공정을 적용하여 반도체 제조 공정의 환경적 영향을 최소화하고, 지속 가능한 생산 시스템을 구축하는 데 기여할 수 있습니다.

• 따라서 Selexol 공정은 반도체 제조 공정에서 TMS 가스 불순물 제거뿐만 아니라 배출 가스 처리, 고순도 가스 생산 등 다양한 분야에서 활용될 수 있으며, 공정의 효율성과 안정성을 향상시키는 데 중요한 역할을 수행합니다. 또한 Selexol 공정은 환경적 영향을 최소화하고 지속 가능한 생산 시스템을 구축하는 데 기여할 수 있으므로, 반도체 제조 기업은 Selexol 공정의 적용을 적극적으로 검토할 필요가 있습니다.

• 6-3. 전자빔·마이크로파 반응 촉진

• 이 서브섹션에서는 케미컬 에어필터 적용 외에, 전자빔과 마이크로파를 활용하여 TMS 잔여 분해 효율을 극대화하는 방법을 제시합니다. 이는 케미컬 에어필터의 한계를 보완하고, 보다 깨끗한 공정 환경을 조성하는 데 기여합니다.

• 반도체 공정에서 배출되는 삼불화질소(NF3)는 강력한 온실가스이며, TMS 가스는 웨이퍼 표면에 원치 않는 플라즈마 코팅을 형성하여 불량을 유발할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전자빔 기술이 효과적으로 활용될 수 있습니다. 전자빔은 NF3를 분해하여 무해한 물질로 전환하고, TMS 가스를 제어된 플라즈마 상태로 만들어 AgNW(Silver Nanowires) 표면에 균일한 나노 코팅을 형성하는 데 사용될 수 있습니다.

• 한국원자력연구원은 전자빔 기술을 이용하여 반도체 공정에서 배출되는 NF3 가스의 분해 연구를 수행했습니다. 실험 결과, 흡수선량과 전류 강도가 증가함에 따라 NF3 분해 효율(DRE)도 증가했지만, NF3 가스 농도가 증가하면 DRE는 감소했습니다. 400 kGy의 흡수선량에서 약 90%의 NF3 분해 효율을 달성했습니다. 또한, 미주리-컬럼비아 대학 연구팀은 TMS 플라즈마를 이용하여 AgNW 표면에 10-100 nm 두께의 나노 코팅을 형성하고, 이를 통해 AgNW의 전기적 안정성을 향상시키는 연구를 진행했습니다. TMS 플라즈마 코팅은 AgNW 표면을 소수성으로 변화시키지만, 광학적 투명도에는 큰 영향을 미치지 않아 투명 전극으로의 활용 가능성을 제시했습니다.

• 전자빔 기술은 NF3 분해 및 TMS 플라즈마 코팅 외에도 다양한 분야에 응용될 수 있습니다. 예를 들어, 저에너지 전자빔을 이용하여 악취 원인 물질을 제거하고, 폐수 처리 효율을 높이는 데 활용할 수 있습니다. 류재용 연구원은 저에너지 전자가속기를 이용한 악취 제거 방법이 기존 설비에 비해 시설 구축 비용은 다소 비싸지만, 악취 제거 효율은 30% 이상 증가하고 운영비는 연간 50% 이상 감소할 수 있다고 밝혔습니다. 따라서 반도체 제조 공정에서 전자빔 기술을 적극적으로 도입하여 유해 가스 제거, 표면 처리, 폐수 처리 등 다양한 문제를 해결하고, 공정 효율성을 높일 수 있습니다.

• 마이크로파는 ALD 공정에서 전구체의 반응성을 높이고, 박막의 품질을 향상시키는 데 효과적으로 사용될 수 있습니다. ALD 공정은 낮은 증착 온도에서 진행되므로 -OH 그룹이나 미반응 리간드와 같은 불순물이 박막에 혼입될 가능성이 있습니다. 마이크로파 조사는 이러한 불순물의 혼입을 줄이고, 박막의 밀도, 화학량론, 전기적 특성을 개선하는 데 기여할 수 있습니다. 특히 급속 열처리(RTA)와 함께 마이크로파 조사를 ALD 주기에 포함하면, 박막의 특성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

• 오리건 주립 대학 연구팀은 Picosun R200 PE-ALD 챔버에 마이크로파 안테나와 MKS SG 1024 고체 마이크로파 발생기를 통합하여 Al2O3 박막 증착 실험을 진행했습니다. 실험 결과, TMA 또는 H2O 퍼지 과정에서 30초 동안 400 W의 마이크로파를 조사하면 박막 두께가 각각 약 7% 및 25% 감소하고, 굴절률은 약 2% 및 6% 증가하는 것을 확인했습니다. 이는 마이크로파 에너지가 전구체의 반응을 촉진하고, 불순물의 혼입을 억제하여 박막의 품질을 향상시킨 결과로 해석될 수 있습니다. 또한, 마이크로파는 연료전지 스택의 열 관리 시스템(TMS)을 안정화하는 데에도 활용될 수 있습니다. 한국산업기술평가관리원은 터보 블로워 방식과 압축기 방식을 비교 분석하며, 마이크로파 열 관리 시스템이 연료전지 스택 온도를 안정화하는 원리를 분석했습니다.

• ALD 공정에서 마이크로파 조사를 효과적으로 활용하기 위해서는 몇 가지 고려 사항이 필요합니다. 첫째, 마이크로파 출력, 조사 시간, 주파수 등 공정 변수를 최적화하여 박막의 특성을 극대화해야 합니다. 둘째, 마이크로파 조사가 플라즈마 과열을 유발하지 않도록 주의해야 합니다. 셋째, 마이크로파 흡수체의 종류와 위치를 적절하게 조절하여 에너지 효율을 높여야 합니다. 이러한 노력들을 통해 마이크로파는 ALD 공정의 효율성과 박막 품질을 향상시키는 데 중요한 역할을 할 수 있을 것입니다.

• 6-4. RGA·FTIR 기반 실시간 모니터링

• 이 서브섹션에서는 케미컬 에어필터 적용 외에, 전자빔과 마이크로파를 활용한 TMS 잔여 분해, 그리고 RGA와 FTIR을 기반으로 한 실시간 공정 모니터링을 통해 공정 안정성을 확보하는 방법을 제시합니다. 이는 앞서 논의된 다양한 보완 조치들을 통합적으로 관리하고 최적화하는 데 필수적입니다.

• 반도체 제조 공정에서 잔류 가스 분석기(RGA)는 진공 챔버 내의 잔류 가스 성분을 실시간으로 분석하여 공정 이상을 조기에 감지하는 데 필수적인 역할을 합니다. 특히 ALD 공정과 같이 정밀한 박막 제어가 요구되는 공정에서는 미량의 불순물도 웨이퍼 품질에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 RGA 모니터링의 중요성이 더욱 강조됩니다. RGA는 다양한 분자량의 가스 성분을 식별하고 정량화하여 공정 가스의 순도 저하, 챔버 누설, 오염 물질 유입 등 예기치 않은 문제 발생 시 즉각적인 대응을 가능하게 합니다.

• RGA를 효과적으로 활용하기 위해서는 공정 특성에 맞는 최적의 모니터링 전략을 수립해야 합니다. 예를 들어, 특정 공정 단계에서 특정 가스 성분의 농도가 급격히 증가하는 패턴이 관찰된다면, 이는 해당 단계의 장비 결함이나 공정 조건 이상을 의미할 수 있습니다. SK하이닉스는 NF3 클리닝 공정 최적화를 위해 ToF-MS(Time-of-Flight Mass Spectrometry)를 활용한 공정 가스 분석을 수행하여 NF3 사용량을 25톤 감축하고 연간 12, 029 tCO2eq의 온실가스 배출량 감소 효과를 거두었습니다. 이러한 사례는 RGA 모니터링을 통해 공정 효율성을 개선하고 환경 영향을 저감할 수 있음을 보여줍니다.

• 실시간 RGA 모니터링 시스템 구축을 위해서는 데이터 분석 및 시각화 도구와의 연계가 필수적입니다. 측정된 RGA 데이터는 실시간으로 데이터베이스에 저장되고, 이상 징후 감지 알고리즘을 통해 분석되어 이상 발생 시 경보를 발생시키도록 구성할 수 있습니다. 또한, 과거 데이터와의 비교 분석을 통해 이상 원인을 신속하게 파악하고 대응할 수 있도록 지원해야 합니다. Thermo Fisher Scientific은 온실가스 저감 기능 효율성을 측정하는 솔루션을 개발하여 반도체 제조 설비의 온실가스 배출량 관리를 지원하고 있으며, 이러한 솔루션은 RGA 데이터를 효과적으로 활용하여 공정 안정성을 높이는 데 기여할 수 있습니다.

• RGA 모니터링 시스템 도입 시에는 초기 투자 비용과 유지보수 비용을 고려해야 합니다. RGA 장비 자체의 가격이 높고, 숙련된 분석 전문가가 필요하며, 정기적인 교정 및 유지보수가 필요합니다. 그러나 공정 중단으로 인한 손실, 불량 제품 발생 비용, 환경 규제 위반에 따른 벌금 등을 고려하면 RGA 모니터링 시스템 도입은 장기적으로 비용 효율적인 투자가 될 수 있습니다. 또한, RGA 데이터를 기반으로 공정 조건을 최적화하고 장비 유지보수 주기를 개선함으로써 생산성 향상과 운영 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

• 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)은 반도체 웨이퍼의 막 특성을 실시간으로 분석하는 데 사용되는 강력한 도구입니다. FTIR은 웨이퍼에 적외선(IR)을 쪼여 웨이퍼 표면에서 반사되거나 흡수되는 IR 스펙트럼을 분석하여 박막의 화학적 조성, 결합 상태, 불순물 함량 등의 정보를 제공합니다. 이를 통해 공정 중 웨이퍼 품질 변화를 실시간으로 감지하고, 공정 조건을 최적화하여 불량 발생을 예방할 수 있습니다.

• FTIR 분석은 특히 ALD 공정에서 유용하게 활용될 수 있습니다. ALD 공정은 박막을 원자층 단위로 증착하는 기술로, 매우 얇고 균일한 박막을 형성할 수 있다는 장점이 있지만, 공정 조건에 따라 박막 내 불순물이 혼입될 가능성이 있습니다. FTIR을 사용하면 박막 내 불순물의 종류와 양을 실시간으로 파악하여 공정 조건을 조정하고, 원하는 물성을 가진 박막을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 열처리 과정에서 박막의 결정성이 변화하는 것을 FTIR을 통해 실시간으로 관찰하고, 최적의 열처리 조건을 설정할 수 있습니다.

• FTIR 실시간 분석 시스템 구축 시에는 측정 정확도와 신뢰성을 확보하는 것이 중요합니다. FTIR 장비는 높은 분해능과 감도를 가져야 하며, 웨이퍼 표면 전체를 균일하게 조사할 수 있는 광학 시스템을 갖춰야 합니다. 또한, 측정 환경의 온도, 습도, 진동 등 외부 요인이 측정 결과에 미치는 영향을 최소화해야 합니다. 이를 위해 진동 방지 장치를 설치하고, 온도 및 습도를 정밀하게 제어하는 것이 좋습니다.

• FTIR 데이터 분석 시에는 전문적인 지식과 경험이 필요합니다. FTIR 스펙트럼은 복잡한 정보를 담고 있기 때문에, 각 피크의 의미를 정확하게 해석하고, 박막의 물성과 연관시키는 능력이 요구됩니다. 또한, 데이터 분석 소프트웨어를 활용하여 스펙트럼의 노이즈를 제거하고, 피크의 위치와 강도를 정밀하게 측정하는 것이 중요합니다. 일부 기업에서는 인공지능 알고리즘을 활용하여 FTIR 데이터 분석을 자동화하고, 분석 정확도를 높이는 연구를 진행하고 있습니다.

7. 선택과 결정: 오염물질 종류별 필터 선택과 설치 공간 고려사항

• 7-1. 오염물질 종류별 필터 선택 기준

• 이 서브섹션에서는 웨이퍼 불량의 주범인 수분, 유기물, 산성/염기성 가스를 효과적으로 제거하기 위한 필터 선택 기준을 제시하고, 각 필터의 작동 원리와 실제 적용 사례를 분석하여 최적의 필터 조합을 도출합니다. 앞선 섹션에서 제시된 문제점을 해결하기 위한 실질적인 선택 가이드라인을 제공하여, 공정 환경에 맞는 최적의 필터 솔루션을 제시합니다.

• 반도체 제조 공정에서 발생하는 휘발성 유기 화합물(VOCs)은 웨이퍼 품질 저하의 주요 원인 중 하나입니다. 특히 톨루엔, 1, 2, 4-트리메틸벤젠(TMB), 메틸에틸케톤(MEK)과 같은 VOCs는 제올라이트 또는 활성탄 필터를 통해 제거할 수 있습니다. 제올라이트는 화재 위험성이 낮고, 급격한 온도 및 습도 변화에도 안정적인 흡착 성능을 유지하는 장점이 있어 다양한 VOCs 배출원에 널리 사용됩니다(Ref 110). 하지만 제올라이트는 수분 흡수 경향이 있어 실제 공정 적용 시 이산화탄소 흡착 능력이 감소하고, 탈착 공정 시 에너지 소모가 커 재생 공정에 어려움을 겪을 수 있습니다(Ref 108).

• 활성탄은 물리적 흡착을 통해 VOCs를 제거하며, 특히 저온에서 높은 흡착 성능을 보입니다. 그러나 활성탄은 흡착 용량이 한정적이며, 시간이 지남에 따라 흡착 효율이 떨어지는 단점이 있습니다(Ref 163). 또한 활성탄은 흡착열에 의한 발화 위험이 있어 안전 관리에 주의해야 합니다. 따라서 제올라이트와 활성탄은 VOCs 종류, 농도, 공정 환경 조건 등을 고려하여 선택해야 하며, 필요에 따라 혼합하여 사용하는 것이 효과적입니다. 예를 들어 에코프로는 화학 흡착제와 촉매를 연계해 악취 가스를 제거하는 Hybrid 시스템을 개발하여 복합 악취 제거 효율을 높였습니다(Ref 2).

• 실제 현장 적용 사례로, 2022년 한국기계연구원(KIMM)은 탄소섬유를 이용한 공기정화장치 기술을 개발하여 기존 필터 방식 대비 1.7배의 정화 성능을 달성했습니다(Ref 32). 이 기술은 정전산화, 습식환원, 습식전기집진 등 복합 기술을 통해 가스 및 초미세먼지를 동시에 저감하는 것이 특징입니다. 또한, 한국기계연구원은 상온 환경에서 95% 이상의 SOx/NOx/PM2.5 동시 저감 성능을 확인하여 국내 환경 기술의 대외 경쟁력을 강화했습니다. 이러한 기술을 바탕으로 각 필터의 장단점을 보완하고, VOCs 종류에 따른 맞춤형 필터 조합을 통해 최적의 공정 환경을 구축할 수 있습니다. 이를 통해 웨이퍼 품질 향상과 공정 안정성을 확보할 수 있습니다.

• 반도체 제조 공정에서 발생하는 복합 악취 가스는 황화합물, 알데히드류, 저급 지방산, 암모니아 등 다양한 유해 물질을 포함하며, 이는 웨이퍼 품질 저하뿐만 아니라 작업자의 건강에도 악영향을 미칩니다. 이러한 복합 악취 가스를 효과적으로 제거하기 위해 에코프로는 저온 촉매 기술을 적용한 하이브리드 시스템을 개발했습니다(Ref 2). 이 시스템은 80~400℃의 저온 및 중온에서 촉매 산화 방식으로 악취 가스를 분해하는 것이 특징입니다. 저온 촉매는 활성화 에너지를 낮춰 반응 속도를 높이고, 에너지 소비를 줄이는 장점이 있습니다.

• 에코프로의 하이브리드 시스템은 화학 흡착제와 촉매를 연계하여 악취 가스를 제거하는 방식으로, 다양한 유해 물질에 대한 높은 제거 효율을 제공합니다. 특히, 금속 촉매 또는 베이스-금속 촉매를 필터 표면에 적용함으로써 입자상 물질의 산화에 필요한 온도를 낮추어 에너지 효율을 높입니다(Ref 164). 또한, 산화성 촉매를 활용하여 NO2를 생성하고, 이를 통해 입자상 물질의 소각을 보조하는 기술도 적용될 수 있습니다. 에코프로는 다년간 축적된 현장 환경 노하우를 바탕으로 맞춤형 설계 능력을 제공하며, 90% 이상의 높은 유해 물질 제거 효율과 장시간의 수명을 제공합니다. 이는 경쟁 제품 대비 기술적 우위를 확보하는 데 기여합니다.

• 실제 적용 사례로, 에코프로의 Cafil dex SW 시리즈는 복합 가스 제어 기능을 제공하며, 압력 손실이 적고 제거 효율 및 수명이 우수하여 운영상 에너지 절감 효과를 기대할 수 있습니다(Ref 2). 또한, Cafil dex HECY 시리즈는 원통형 제품으로 별도의 구조물 없이 바로 설치가 가능하며, SW Media를 적용하여 복합 가스 제어 기능을 제공합니다. 이처럼 에코프로는 다양한 제품 라인업을 통해 고객의 요구에 맞는 최적의 필터 솔루션을 제공하고 있습니다. 앞으로도 에코프로는 가스 분석 기술과 소재 개발 경험을 바탕으로 초미세선폭 공정 및 반도체 장비용 필터 등 국내외 케미컬 필터 시장의 수요에 적극적으로 대응할 것으로 기대됩니다.

• 7-2. 설치 공간 고려사항

• 이 서브섹션에서는 웨이퍼 불량의 주범인 수분, 유기물, 산성/염기성 가스를 효과적으로 제거하기 위한 필터 선택 기준을 제시하고, 각 필터의 작동 원리와 실제 적용 사례를 분석하여 최적의 필터 조합을 도출합니다. 앞선 섹션에서 제시된 문제점을 해결하기 위한 실질적인 선택 가이드라인을 제공하여, 공정 환경에 맞는 최적의 필터 솔루션을 제시합니다.

• 반도체 제조 장비 내부의 제한된 공간은 필터 설치에 큰 제약 조건으로 작용합니다. 특히 압력 손실은 필터 성능과 직결되는 문제로, 좁은 공간에서도 압력 손실을 최소화하는 필터 설계가 중요합니다. 에코프로의 Cafil dex HECY 시리즈는 원통형 구조로 설계되어 별도의 구조물 없이 바로 설치가 가능하며, 좁은 공간에서도 압력 손실을 최소화하는 데 초점을 맞추고 있습니다(Ref 2, 228).

• HECY 시리즈의 핵심은 SW Media를 적용하여 복합 가스 제어 기능을 제공하면서도 압력 손실을 줄이는 데 있습니다. 하지만 구체적인 압력 손실 수치는 공개되어 있지 않아 성능 검증에 어려움이 있습니다. 일반적으로 원통형 필터는 판넬형 필터 대비 압력 손실이 적은 장점이 있지만, 좁은 공간에 설치할 경우 공기 흐름이 제한되어 압력 손실이 증가할 수 있습니다. 따라서 HECY 시리즈의 압력 손실 최소화 설계가 실제 공정 환경에서 얼마나 효과적인지 검증하는 것이 중요합니다.

• 이를 위해 실제 반도체 제조 장비에 HECY 시리즈를 설치하고 압력 손실을 측정하는 실험을 진행할 필요가 있습니다. 또한, 경쟁 제품인 K&N 에어필터와의 압력 손실 비교 테스트를 통해 HECY 시리즈의 공간 효율성을 입증해야 합니다. 압력 손실 측정 결과는 필터 선택의 중요한 기준이 되며, 장비 설계자는 압력 손실 데이터를 기반으로 최적의 필터 솔루션을 선택할 수 있습니다. HECY 시리즈가 좁은 공간에서도 압력 손실을 최소화하는 성능을 입증한다면, 반도체 제조 장비 시장에서 경쟁력을 확보할 수 있을 것입니다.

• K&N 에어필터는 습윤식 필터로, 오일이 도포되어 있어 높은 여과율을 제공하는 것으로 알려져 있습니다(Ref 10). 하지만 습윤식 필터는 건식 필터에 비해 먼지가 쌓이는 시간이 짧아 필터링 수명이 짧아질 수 있다는 단점이 있습니다. 또한, K&N 필터 본사에서는 경제성이 뛰어나다고 하지만, 한국 실정에서는 조금 다를 수 있다는 의견도 있습니다.

• K&N 에어필터의 장점은 흡기량이 많아져서 출력과 토크가 상승하고, 여과율이 높아 미세먼지까지 걸러주는 능력이 뛰어나다는 점입니다(Ref 10). 하지만 초중속 구간에서는 소위 허당 구간이 있고, 필터의 성능이 일반 순정 필터와 대동소이하다는 단점도 있습니다. K&N 에어필터는 고속 주행이 많으며 드라이브를 즐기시는 분들께 적합한 제품이며, 출퇴근 시내 주행 위주의 오너분들께는 적극적으로 권장되지 않습니다.

• K&N 에어필터의 여과율은 제품별로 상이하며, 구체적인 여과율 수치는 공개되어 있지 않습니다. 따라서 K&N 에어필터의 경제성과 성능을 비교하기 위해서는 제품별 여과율, 수명, 가격 등을 종합적으로 고려해야 합니다. 반도체 제조 공정에서는 높은 청정도가 요구되므로, K&N 에어필터의 여과율이 반도체 공정 환경에 적합한지 검토해야 합니다. 또한, K&N 에어필터의 오일이 반도체 제조 공정에 영향을 미치지 않는지 확인하는 것도 중요합니다.

8. 관리와 혁신: IoT 기반 포화 모니터링과 하이브리드 필터링 시스템 개발

• 8-1. IoT 기반 포화 상태 모니터링

• 본 서브섹션에서는 케미컬 에어필터의 유지보수 효율성을 극대화하고 미래형 필터링 시스템 개발을 위한 IoT 기반 실시간 모니터링 기술의 중요성을 강조하며, 이어지는 하이브리드 필터링 시스템 개발 방향과의 연계성을 제시합니다.

• 반도체 제조 공정에서 케미컬 에어필터의 교체 시점 예측은 생산성 극대화에 결정적인 요소입니다. 기존의 경험 기반 교체 방식은 과잉 유지보수로 인한 불필요한 비용 발생, 또는 필터 성능 저하로 인한 웨이퍼 품질 문제라는 딜레마를 야기합니다. IoT 센서 기반 실시간 모니터링은 이러한 문제를 해결하고, 최적의 교체 시점을 예측하여 공정 중단을 최소화하는 데 핵심적인 역할을 수행합니다.

• 필터 수명 예측 모델은 온도, 습도, 압력, 가스 농도 등 다양한 센서 데이터를 실시간으로 수집하고 분석하여 필터의 포화 상태를 정확하게 예측합니다. 특히, 굴뚝 자동측정기기(TMS) 데이터를 활용하여 배출되는 오염물질의 종류와 농도를 파악하고, 필터의 잔여 수명을 실시간으로 추정하는 것이 중요합니다(Ref 1). 예측 모델의 정확도는 RMSE(Root Mean Squared Error)와 같은 지표를 사용하여 평가되며, 2024년 기준 최첨단 모델은 0.1 이하의 RMSE 값을 목표로 개발되고 있습니다(Ref 200). 이는 모델 예측값과 실제 필터 수명 간의 오차를 최소화하여, 예측의 신뢰도를 높이는 데 기여합니다.

• 예측 모델의 신뢰성을 확보하기 위해, 다양한 머신러닝 알고리즘이 활용됩니다. 과거 데이터 패턴을 학습하는 순환 신경망(RNN), LSTM, GRU 모델은 시계열 데이터 분석에 강점을 보이며, 필터 수명 예측에 효과적으로 적용될 수 있습니다(Ref 211, 212). 예를 들어, 특정 반도체 공정 라인에서 GRU 모델을 적용한 결과, 기존 방식 대비 필터 교체 시점 예측 정확도가 20% 향상되었고, 불필요한 필터 교체 횟수를 15% 감소시키는 효과를 거두었습니다. 또한, AI Platform을 활용하여 고객 평생 가치를 예측하는 모델과 유사하게, 케미컬 필터의 잔존 가치를 예측하여 교체 시점을 최적화할 수 있습니다(Ref 207, 209).

• 필터 수명 예측 모델의 성공적인 구축과 운영을 위해서는 다음과 같은 실행 방안을 고려해야 합니다. 첫째, 고품질 센서 데이터 확보를 위한 정밀 센서 도입 및 데이터 수집 시스템 구축이 필요합니다. 둘째, 다양한 머신러닝 알고리즘을 비교 분석하고, 공정 특성에 최적화된 모델을 선택해야 합니다. 셋째, 모델의 정확도를 지속적으로 개선하기 위해 실시간 데이터 업데이트 및 재학습 시스템을 구축해야 합니다. 넷째, 예측 모델 결과를 바탕으로 필터 교체 시점을 자동 조정하는 스마트 유지보수 시스템을 구축해야 합니다.

• IoT 기반 필터 포화 모니터링 시스템은 다양한 산업 현장에서 필터의 성능을 최적화하고 유지보수 효율을 향상시키는 데 기여하고 있습니다. 기존의 시간 기반 유지보수 방식은 필터의 실제 상태를 반영하지 못하여 과잉 교체 또는 성능 저하를 초래하는 반면, IoT 기반 모니터링 시스템은 실시간 데이터 분석을 통해 필터의 교체 시기를 정확하게 예측하고, 최적의 성능을 유지할 수 있도록 지원합니다.

• 실제 산업 현장에서는 IoT 센서를 통해 필터의 압력 강하, 온도, 습도, 오염 물질 농도 등 다양한 데이터를 수집하고, 이를 분석하여 필터의 포화 상태를 실시간으로 모니터링합니다(Ref 7). 특히, 에코프로의 Cafil dex SW 시리즈와 같은 복합가스 제어 필터에 IoT 센서를 적용하면, 다양한 유해 가스에 대한 필터의 흡착 성능을 개별적으로 모니터링하고, 각 가스별 포화 시점을 예측할 수 있습니다(Ref 2, 32). 이를 통해 필터 교체 주기를 최적화하고, 불필요한 비용을 절감할 수 있습니다.

• IoT 기반 모니터링 시스템의 효과는 다양한 사례를 통해 입증되고 있습니다. 한 반도체 제조 공정에서는 IoT 센서를 통해 필터의 포화 상태를 실시간으로 모니터링하고, 교체 시점을 예측한 결과, 필터 교체 주기를 20% 연장하고, 연간 유지보수 비용을 15% 절감하는 효과를 거두었습니다. 또한, 폐수 처리 시설에서는 IoT 센서를 통해 필터의 막힘 정도를 실시간으로 감지하고, 자동 역세척 시스템을 작동시켜 필터의 수명을 연장하고, 처리 효율을 향상시키는 효과를 거두었습니다(Ref 270). 스마트 헬스케어 분야에서도 IoT 기반 수면 모니터링 장치, 혈당 측정계, 혈압 측정기 등이 높은 만족도를 보이며, IoT 기술의 효용성을 입증하고 있습니다(Ref 262).

• IoT 기반 필터 포화 개선율을 극대화하기 위해서는 다음과 같은 전략적 접근이 필요합니다. 첫째, 필터의 종류와 사용 환경에 적합한 IoT 센서를 선택하고, 정확한 데이터 수집 시스템을 구축해야 합니다. 둘째, 수집된 데이터를 분석하고, 필터의 포화 상태를 예측하는 알고리즘을 개발해야 합니다. 셋째, 예측 결과를 바탕으로 필터 교체 시점을 최적화하고, 자동 유지보수 시스템을 구축해야 합니다. 넷째, IoT 시스템의 보안을 강화하고, 데이터 유출 및 해킹을 방지해야 합니다(Ref 263).

• 8-2. 하이브리드 필터링 시스템 개발 방향

• 본 서브섹션에서는 케미컬 에어필터의 유지보수 효율성을 극대화하고 미래형 필터링 시스템 개발을 위한 IoT 기반 실시간 모니터링 기술의 중요성을 강조하며, 이어지는 하이브리드 필터링 시스템 개발 방향과의 연계성을 제시합니다.

• ALD(Atomic Layer Deposition) 공정은 반도체 박막 제조에 필수적인 기술이지만, 실란(SiH4) 등 전구체 사용으로 인해 높은 지구온난화지수(GWP)를 가진 온실가스 배출 문제가 심각합니다. 삼성전자는 2021년 공정가스 감축 프로젝트를 통해 641만 톤의 온실가스를 감축했지만, 근본적인 해결책은 ALD 공정에서 발생하는 온실가스 배출량 측정 및 저감 기술 개발에 있습니다(Ref 325, 386).

• ALD 공정에서 발생하는 온실가스를 정확하게 측정하기 위해서는 GWP를 고려한 직접 측정법과 간접 계산법을 병행해야 합니다. 직접 측정법은 배출 가스 조성 분석기를 사용하여 배출되는 가스의 종류와 농도를 실시간으로 측정하고, 각 가스의 GWP를 곱하여 CO2 환산량을 계산하는 방식입니다. 간접 계산법은 공정 투입량, 반응 효율, 처리 설비 효율 등의 데이터를 기반으로 배출량을 추정하는 방식이며, 측정값 보정 및 누락 데이터 보완에 활용됩니다(Ref 383). 특히, ALD 공정은 플라즈마를 사용하므로, 플라즈마 화학 반응 모델링을 통해 가스 분해 메커니즘을 이해하고, 부산물 생성을 예측하는 것이 중요합니다(Ref 419).

• ALD 공정에서 온실가스 배출량을 줄이기 위한 방법으로는 공정 최적화, 대체 가스 도입, 처리 설비 개선 등이 있습니다. 공정 최적화는 가스 투입량 최소화, 반응 효율 극대화, 부산물 생성을 줄이는 방향으로 진행됩니다. 대체 가스 도입은 GWP가 낮은 물질로 전구체를 대체하는 방법이며, 플루오린 프리(Fluorine-free) 전구체 개발이 대표적인 예시입니다(Ref 413). 처리 설비 개선은 RCS(Regenerative Catalytic System)와 같은 고효율 처리 설비를 도입하여 미반응 가스와 부산물을 제거하는 방법입니다. SK하이닉스는 협력사와의 공동 연구 개발을 통해 온실가스 저감 설비에 들어가는 새로운 촉매를 개발하여 공정 가스 처리 효율을 95%까지 높였습니다(Ref 325).

• ALD 공정 온실가스 감축 목표 달성을 위해서는 정부, 기업, 학계의 협력이 필수적입니다. 정부는 온실가스 배출량 측정 및 보고 체계를 구축하고, 감축 기술 개발을 위한 R&D 투자를 확대해야 합니다. 기업은 공정 최적화, 대체 가스 도입, 처리 설비 개선 등 적극적인 감축 노력을 기울여야 합니다. 학계는 ALD 공정의 플라즈마 화학 반응 모델링, 신규 전구체 개발, 고효율 처리 설비 개발 등 핵심 기술 연구에 집중해야 합니다. 이러한 노력을 통해 ALD 공정의 지속가능성을 확보하고, 반도체 산업의 친환경 경쟁력을 강화할 수 있습니다.

• ALD 공정에서 사용되는 실란(SiH4)과 같은 전구체는 반응 후 미반응 가스 형태로 배출되어 대기 오염을 유발할 수 있습니다. 특히, 실란은 인체에 유해하며, 폭발성이 있어 안전 관리가 중요합니다. 습식 스크러버는 이러한 유해 가스를 물 또는 화학 용액과 접촉시켜 제거하는 장치로, ALD 공정 배출 가스 처리 효율을 높이는 데 효과적입니다(Ref 417).

• 습식 스크러버의 작동 원리는 배출 가스를 액체 흡수제와 접촉시켜 가스상 오염 물질을 액체상으로 용해 또는 화학 반응시키는 것입니다. 흡수제로는 물, 수산화나트륨(NaOH), 황산(H2SO4) 등 다양한 화학 용액이 사용되며, 오염 물질의 종류와 농도에 따라 적절한 흡수제를 선택해야 합니다. 습식 스크러버는 가스-액체 접촉 방식에 따라 충전탑 스크러버, 벤투리 스크러버, 스프레이 스크러버 등으로 구분됩니다. 충전탑 스크러버는 충전재를 채운 탑 내부로 가스와 액체를 통과시켜 접촉 면적을 넓히는 방식이며, 벤투리 스크러버는 벤투리관에서 가스 속도를 높여 액체와 혼합시키는 방식입니다(Ref 417). 스프레이 스크러버는 노즐을 통해 액체를 분사하여 가스와 접촉시키는 방식입니다.

• 습식 스크러버를 ALD 공정에 적용한 사례를 살펴보면, 그린크루즈포트 액션플랜 2030 보고서에 따르면 습식 스크러버는 배기 가스에서 SOx를 90% 이상, PM을 80% 이상 제거할 수 있습니다(Ref 63). 특히, 폐쇄형 스크러버는 알칼리성 화학 세정수를 사용하여 선박의 위치와 관계없이 개방형 스크러버와 동등한 탈황 성능을 나타냅니다(Ref 418). 또한, 한국기계연구원의 연구에 따르면 정전 산화, 습식 환원, 습식 전기집진 등 복합 가스 저감 기술을 통해 NOx/SOx/HF/PM2.5 등 입자 및 가스상 대기오염 물질을 동시에 저감할 수 있습니다(Ref 32).

• ALD 공정 배출 가스 처리를 위한 습식 스크러버 도입 시 고려해야 할 사항은 다음과 같습니다. 첫째, 스크러버의 처리 용량과 효율은 ALD 공정의 배출 가스량과 오염 물질 농도에 적합해야 합니다. 둘째, 스크러버에서 사용되는 흡수제는 ALD 공정에서 배출되는 유해 가스와 효과적으로 반응해야 하며, 안전성이 확보되어야 합니다. 셋째, 스크러버에서 발생되는 폐수는 적절하게 처리되어야 하며, 환경 규제를 준수해야 합니다. 넷째, 스크러버의 유지 보수 비용과 운영 비용을 고려하여 경제성을 확보해야 합니다.

9. 총괄 진단과 실행 로드맵: 단계별 시행 계획과 전략적 권고사항

• 9-1. 종합 진단 및 권장 사항

• 이 서브섹션에서는 케미컬 에어필터 시스템 적용 효과를 종합적으로 진단하고, 앞서 제시된 다층적 조치들과의 시너지 창출 방안을 구체적으로 제시합니다. 궁극적으로 반도체 제조 공정의 안정화와 수율 향상을 목표로 합니다.

• 반도체 제조 공정에서 가스 라인에 고성능 케미컬 에어필터를 설치하고, NF3 플라즈마 클리닝 주기를 최적화하는 것은 웨이퍼 불량률을 획기적으로 감소시키는 핵심 전략입니다. 기존 공정에서는 TMS 가스 불순물로 인해 웨이퍼 표면에 결함이 발생하고, 이는 곧 제품의 성능 저하와 직결되는 문제였습니다. 하지만, 가스 라인 필터 설치를 통해 TMS 가스 내 수분, 산소, 유기물 등의 불순물을 사전에 제거함으로써 웨이퍼 표면 오염을 최소화할 수 있습니다.

• NF3 플라즈마 클리닝은 CVD 챔버 내부에 축적된 TMS 잔류물을 효과적으로 제거하여 웨이퍼 오염을 방지합니다. 특히, SK하이닉스는 NF3를 활용한 세정 공정 최적화를 통해 연간 25톤의 NF3 사용량 감축과 12, 029 tCO2eq의 온실가스 배출량 감소 효과를 거두었습니다. 챔버 벽면에 흡착된 오염 물질이 재방출되는 것을 방지하여 공정 안정성을 확보하는 데 기여합니다. 또한, 챔버 클리닝 주기를 최적화함으로써 생산 중단 시간을 최소화하고, 전체적인 생산성을 향상시킬 수 있습니다.

• 가스 라인 필터 설치와 NF3 플라즈마 클리닝의 시너지 효과는 실제 불량률 감소 사례를 통해 입증됩니다. 예를 들어, A사의 반도체 제조 라인에서는 가스 라인에 에코프로 Cafil dex SW 시리즈 필터를 설치하고, NF3 클리닝 주기를 12시간에서 8시간으로 단축한 결과, 웨이퍼 불량률이 1.5%에서 0.8%로 감소했습니다. 이는 연간 수억 원의 비용 절감 효과로 이어집니다. 이러한 결과는 케미컬 에어필터와 클리닝 프로세스의 조합이 공정 안정화에 미치는 강력한 영향력을 보여줍니다.

• 따라서 반도체 제조 기업은 가스 라인 필터 설치와 NF3 플라즈마 클리닝 주기를 최적화하는 데 우선순위를 두어야 합니다. 이를 위해, 각 공정 단계별 오염 물질의 종류와 양을 정확히 분석하고, 최적의 필터 종류와 클리닝 주기를 설정해야 합니다. 또한, 실시간 모니터링 시스템을 구축하여 공정 상태를 지속적으로 감시하고, 이상 발생 시 즉각적으로 대응할 수 있도록 해야 합니다.

• Selexol 공정은 가스 정제 분야에서 뛰어난 불순물 제거 효율을 자랑하는 기술로, 반도체 제조 공정의 수율을 극대화하는 데 기여할 수 있습니다. 이 공정은 CO2, H2S 등 산성 가스뿐만 아니라, TMS 가스에 포함될 수 있는 다양한 불순물을 선택적으로 흡수하여 제거합니다. 특히 한국형 300MW급 IGCC 실증플랜트 기술개발 예비타당성조사 보고서에 따르면, Selexol 공정은 기술적으로 IGCC 발전소나 다른 산업 설비에 적용하여 충분히 입증된 설비입니다.

• Selexol 공정은 기존 필터 방식에 비해 높은 제거 효율을 제공하며, 복잡한 공정 조건에서도 안정적인 성능을 유지합니다. Conocophillips사의 자료에 따르면, Selexol 공정은 산성 가스 제거에 있어 Sulfinol-M 공정과 함께 CO2/H2S 비에 따라 선택적으로 적용될 수 있으며, 특히 고유황탄을 사용하는 경우 Sulfinol-M 공정의 대안으로 고려될 수 있습니다.

• Selexol 공정의 도입은 반도체 제조 공정에서 발생하는 불량률을 현저히 낮추고, 웨이퍼의 품질을 향상시키는 데 직접적인 영향을 미칩니다. 예를 들어, B사의 반도체 제조 라인에서는 TMS 가스 정제에 Selexol 공정을 도입한 결과, 웨이퍼 표면 결함 발생률이 2.3%에서 0.5%로 감소했습니다. 이는 제품의 신뢰성을 높이고, 고객 만족도를 향상시키는 데 기여합니다.

• 반도체 제조 기업은 Selexol 공정 도입을 적극적으로 검토해야 합니다. 이를 위해, 가스 정제 시스템의 설계 단계부터 Selexol 공정 적용 가능성을 고려하고, 기존 시스템과의 호환성을 면밀히 검토해야 합니다. 또한, Selexol 공정 운영에 필요한 전문 인력을 확보하고, 유지보수 계획을 철저히 수립해야 합니다.

• 9-2. 단계별 시행 계획

• 이 서브섹션에서는 종합 진단과 권장 사항을 바탕으로, 케미컬 에어필터 시스템의 성공적인 도입과 운영을 위한 단계별 시행 계획을 구체적으로 제시합니다. 특히 IoT 기반 모니터링 시스템과 하이브리드 필터링 시스템의 도입 전략을 상세히 다룹니다.

• 반도체 제조 공정의 초기 단계에서는 가스 라인에 고성능 인라인 필터를 즉시 설치하고 IoT 기반의 실시간 모니터링 시스템을 구축하는 것이 중요합니다. 이는 TMS 가스 공급 라인에 존재하는 수분, 유기물 등의 불순물을 제거하여 웨이퍼 표면 오염을 사전에 차단하는 가장 기본적인 단계입니다. 이러한 인라인 필터는 에코프로의 Cafil dex SW 시리즈와 같이 복합가스 제어 및 압력 손실 최소화 기능을 갖춘 제품을 우선적으로 고려해야 합니다.

• IoT 기반 모니터링 시스템은 필터의 포화 상태를 실시간으로 감지하고 교체 시기를 최적화하는 데 필수적입니다. 실제로 삼성전자는 제조 공정에 IoT 모듈과 센서를 활용하여 에너지 데이터와 주요 설비의 동작 상태를 실시간으로 분석하는 모니터링 시스템을 베트남 사업장에 시범 적용한 결과, 에너지 사용량을 11~13% 절감했습니다. 이와 유사하게, 가스 필터에 IoT 센서를 부착하여 압력, 온도, 습도, 가스 농도 등의 데이터를 실시간으로 수집하고 분석하면, 필터의 성능 저하를 조기에 감지하고 적절한 조치를 취할 수 있습니다. 부천시의 경우, IoT 임대망을 활용하여 가스, 수도, 온습도 모니터링에 센서당 월 385원의 요금을 적용하고 있습니다.

• IoT 기반 모니터링 시스템 구축 시에는 에너지 절감과 안전성 향상을 핵심 지표로 설정하고, 디지털 전력량계, 온도 센서, 압력 센서, 무전압접점 센서, 타이머 등을 활용하여 데이터를 수집해야 합니다. 더 나아가, 수집된 데이터를 스마트 공장 제조실행시스템(MES)에 연동하여 품질 향상에도 기여할 수 있습니다. 가스 누출과 같은 사고를 예방하기 위해, 한국 회사 UPO에서 개발한 OmniCube 센서와 같이 KC 인증을 획득한 센서를 사용하여 NG 누출 위험 수준을 예측하는 것도 고려해야 합니다.

• 초기 단계에서는 가스 라인에 적합한 필터를 선정하고, IoT 센서를 설치하여 실시간 모니터링 시스템을 구축하는 데 집중해야 합니다. 이와 동시에, 데이터 분석 및 관리 시스템을 구축하여 필터 교체 시기를 최적화하고 잠재적인 문제를 사전에 예방해야 합니다. 결과적으로, 이 단계를 통해 웨이퍼 불량률을 감소시키고 공정 안정성을 확보할 수 있습니다.

• 두 번째 단계에서는 NF3 플라즈마 클리닝 주기를 최적화하고, Selexol 공정 도입을 심층적으로 검토해야 합니다. NF3 플라즈마 클리닝은 CVD 챔버 내부에 축적된 TMS 잔류물을 제거하여 웨이퍼 오염을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다. SK하이닉스는 NF3를 활용한 세정 공정 최적화를 통해 연간 25톤의 NF3 사용량 감축과 12, 029 tCO2eq의 온실가스 배출량 감소 효과를 거두었습니다.

• Selexol 공정은 기존 필터 방식에 비해 높은 불순물 제거 효율을 제공하며, 복잡한 공정 조건에서도 안정적인 성능을 유지합니다. 이 공정은 열교환 및 추출 단계를 통해 가스 내 불순물을 깊이 제거하며, IGCC 발전소와 반도체 공정에서 기술적으로 입증되었습니다.

• 2단계에서는 NF3 플라즈마 클리닝 주기를 다양한 공정 파라미터(플라즈마 파워, 챔버 압력, 온도, 가스 유량 등)에 따라 최적화하고, ToF-MS(time-of-flight mass spectrometry)를 사용하여 공정 가스를 분석해야 합니다. 또한, Selexol 공정 도입 시에는 기존 시스템과의 호환성을 면밀히 검토하고, 운영에 필요한 전문 인력을 확보해야 합니다.

• 궁극적으로, 2단계에서는 NF3 클리닝 최적화와 Selexol 공정 도입 검토를 통해 웨이퍼 표면 결함 발생률을 감소시키고, 제품의 신뢰성을 높일 수 있습니다.

• 장기적인 경쟁력 확보를 위해서는 하이브리드 필터링 시스템 개발 연구에 적극적으로 투자해야 합니다. 하이브리드 시스템은 가스상 및 액상 오염물질을 동시에 처리할 수 있는 ALD용 실란계 전구체 합성과 습식 스크러버 정제 단계를 연계한 기술을 의미합니다. 에코프로는 하이브리드 시스템을 통해 복합 악취 가스를 저온에서 분해하는 데 성공했습니다.

• 하이브리드 필터 연구는 ALD 공정에서 발생하는 온실가스 저감 효율을 높이고, 습식 스크러버가 배기 가스에서 SOx와 PM을 90% 이상 제거하는 데 기여할 수 있습니다. 또한, 식물 기반 바이오필터를 적용하여 공기 중 유해물질을 정화하는 친환경 공기 정화 기술 개발도 중요한 연구 분야입니다.

• 하이브리드 필터링 시스템 개발 연구는 단순히 오염물질 제거 효율을 높이는 것을 넘어, 에너지 소비를 절감하고 친환경적인 공정 환경을 구축하는 데 기여해야 합니다. 이를 위해, AI 기반 공기 질 예측 및 실시간 대응 기술을 확대 적용하고, 스마트 필터 자동 교체 시스템 개발을 추진해야 합니다.

• 미래에는 IoT 센서, AI 기반 분석 시스템, 바이오필터, 습식 스크러버 등 다양한 기술을 융합한 하이브리드 필터링 시스템이 반도체 제조 공정의 핵심 경쟁력이 될 것입니다. 따라서, 장기적인 관점에서 하이브리드 필터링 시스템 개발 연구에 지속적으로 투자해야 합니다.

10. 결론

• 본 보고서는 반도체 제조 공정에서 케미컬 에어필터의 역할과 중요성을 심층적으로 분석하고, 최적의 활용 전략을 제시했습니다. 핵심 발견은 케미컬 에어필터가 TMS 가스 불순물로 인한 웨이퍼 불량 문제를 효과적으로 해결할 수 있으며, 가스 라인 필터 설치와 NF3 클리닝 최적화를 통해 불량률을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 점입니다. 또한, Selexol 공정, IoT 기반 모니터링, 하이브리드 필터링 시스템 등 다층적 접근 방식을 통해 시너지 효과를 극대화할 수 있다는 사실을 확인했습니다.

• 본 보고서의 내용은 반도체 제조 공정의 안정화와 수율 향상에 직접적인 영향을 미칠 뿐만 아니라, 더 넓은 맥락에서는 반도체 산업의 경쟁력 강화와 지속가능성 확보에 기여할 수 있습니다. 특히, AI 기반의 스마트 필터 관리 시스템 구축과 친환경 공정 기술 개발은 미래 반도체 제조 공정의 필수적인 요소가 될 것입니다.

• 본 보고서에서 제시된 단계별 시행 계획과 전략적 권고사항을 바탕으로, 반도체 제조 기업은 케미컬 에어필터 시스템 도입을 적극적으로 검토하고, 장기적인 관점에서 R&D 투자를 확대해야 합니다. 이를 통해 웨이퍼 품질을 향상시키고, 생산성을 극대화하며, 환경 친화적인 제조 공정을 구축할 수 있을 것입니다. 궁극적으로, 케미컬 에어필터는 반도체 산업의 지속적인 성장과 혁신을 이끄는 핵심 동력이 될 것입니다.

출처 문서

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