화학만으로 안 되는 입자가 있습니다. 표면에 눌러붙었거나 막에 반쯤 박힌 것들 — 이들은 물리적인 힘으로 떼어내야 합니다. 시리즈의 마지막 편인 이번 회는 물리 세정 방법들과, 그 모든 것의 전제가 되는 물과 공기를 다룹니다. 그리고 스무 편의 여정을 마무리합니다.
세 가지 물리적 방법
① 브러시 — 오해받는 방법
이름 때문에 흔히 오해합니다. 브러시 세정은 솔이 오염물을 직접 긁어내는 것이 아닙니다. 실제로는 브러시와 오염물 사이에 얇은 물막이 형성되고, 브러시가 회전하며 그 물막을 끌 때 생기는 끌림 힘으로 입자를 떼어냅니다.
이 설명은 비유가 아니라 모형으로 정리된 것입니다. 브러시 세정에서 나노 입자가 어떻게 떨어지는지를 다룬 연구는 제거를 주도하는 힘이 브러시 돌기가 눌리며 생기는 탄성력과 유체역학적 끌림 힘이라고 정리합니다(Huang, Guo, Lu et al., Appl. Surf. Sci. 257, 3055, 2011). 같은 연구진은 이 과정을 구름·미끄러짐·들어올림이라는 세 가지 제거 모드로 나눠 모형화하기도 했습니다(Huang, Guo, Lu et al., Wear 273, 105, 2011).
이 원리가 중요한 이유는 표면을 긁지 않으면서 입자를 제거할 수 있기 때문입니다. 초기에는 단단한 나일론 소재가 쓰였으나 표면에 스크래치를 남기는 문제가 있어, 지금은 부드럽고 유연한 다공성 소재가 표준입니다. 돌기 없는 매끈한 형상으로 만들어 스크래치를 줄이는 설계도 특허로 제시되어 있습니다(US 7,185,384 B2).
② 메가소닉 — 소리로 흔든다
액체에 음파를 걸어 입자를 떼어내는 비접촉식 방법입니다. 익숙한 초음파 세정과 원리는 같지만 주파수가 훨씬 높습니다.
위키백과의 정의가 명확합니다 — "트랜스듀서가 초음파 세정(20~200kHz)보다 높은 주파수(통상 0.8~2MHz)의 음향파를 만든다"는 것입니다. 그리고 이 고주파 덕분에 "손상이 적은 캐비테이션을 만든다"고 적고 있습니다(Megasonic cleaning).
왜 주파수를 높였을까요. 저주파 초음파는 캐비테이션(액체 속 기포의 생성과 붕괴)이 격렬해 패턴을 부숴 버리기 때문입니다. 주파수를 올리면 기포가 작고 온건해져, 미세 구조를 다치지 않으면서 입자만 흔들어 떼어낼 수 있습니다. 다만 정전기 문제가 따라오고, 세정력 자체는 다음에 볼 고압 제트에 미치지 못하는 경우가 있습니다.
③ 고압 제트와 2유체 — 힘으로 때린다
수십에서 백수십 bar에 이르는 압력으로 물을 분사합니다. 참고로 세차장 고압 분사기가 대략 80bar 수준이니, 그와 비슷하거나 더 센 물줄기를 정밀하게 제어하며 쏘는 셈입니다.
물만 쏘는 대신 질소 같은 기체와 물을 함께 분사해 미세한 액적을 만드는 2유체 방식도 널리 쓰입니다. 액적 하나하나가 표면을 두드리는 방식이라 같은 유량으로 훨씬 큰 국소 충격을 냅니다. 이 방식으로 패턴을 손상시키지 않으면서 나노 입자를 제거하는 조건을 찾는 연구가 이어지고 있습니다(Teng, Cui, He et al., CSTIC 2016).
이미 고착된 입자나 막에 반쯤 박힌 입자를 떼어내는 데 가장 효과적인 방법으로 꼽힙니다. 대신 부작용도 큽니다 — 물이 빠르게 흐르면서 정전기가 발생하기 때문입니다. 그래서 물에 이산화탄소를 녹여 약한 전도성을 부여하는 등의 대책을 함께 씁니다.
주파수가 정하는 것 — 메가소닉의 산술
"주파수를 올리면 온건해진다"는 설명은 계산으로 확인할 수 있습니다. 액체 속 기포는 고유 진동수를 가지며, 그 값은 1933년에 정리된 관계식으로 주어집니다 — 기포의 공진 주파수는 반지름에 반비례한다는 것입니다(Minnaert, Philosophical Magazine 16, 235, 1933).
공진 반지름 R = √(3γP₀ ÷ ρ) ÷ (2π f) — γ: 기체 비열비 1.4, P₀: 대기압, ρ: 물 밀도
여기에 음향 경계층 두께 √(2ν÷ω)와 물속 파장 c÷f 를 함께 계산하면, 주파수 선택이 무엇을 좌우하는지가 한눈에 보입니다.
| 주파수 | 공진 기포 반지름 | 음향 경계층 두께 | 물속 파장 | 성격 |
|---|---|---|---|---|
| 40 kHz (초음파) | 82 µm | 2.82 µm | 37.5 mm | 기포가 크고 붕괴가 격렬 — 패턴 파괴 |
| 200 kHz | 16.4 µm | 1.26 µm | 7.5 mm | 중간 영역 |
| 0.8 MHz (메가소닉) | 4.1 µm | 0.63 µm | 1.9 mm | 온건한 캐비테이션 |
| 2 MHz (메가소닉) | 1.6 µm | 0.40 µm | 0.75 mm | 가장 얌전 — 대신 작은 입자에 힘이 덜 미침 |
두 번째 열이 "온건함"의 정체입니다. 40kHz 에서 1MHz 로 올리면 공진 기포의 반지름은 25분의 1이 되고, 부피는 약 1만 5천분의 1이 됩니다. 기포 하나가 붕괴할 때 내놓는 에너지가 부피에 비례한다고 보면, 같은 사건이 네 자릿수만큼 작아지는 셈입니다. 메가소닉이 패턴을 살려 두는 이유가 여기에 있습니다.
세 번째 열은 대가를 말합니다. 진동하는 표면 근처에는 유속이 거의 0으로 떨어지는 음향 경계층이 생기는데, 이 층보다 작은 입자는 흐름 속에 잠겨 있어 끌림 힘을 제대로 받지 못합니다. 1MHz 에서 이 두께가 약 0.56µm 이니, 수백 나노미터 이하의 입자는 원리적으로 유동만으로는 떼기 어렵습니다. 그래서 실제 메가소닉의 나노 입자 제거는 캐비테이션 기포의 국소 작용에 상당 부분 기대게 되고, "세정력을 위한 저주파와 손상 회피를 위한 고주파"를 함께 쓰는 다중 주파수 설계가 제안되어 왔습니다(Kim, Lee, Lim et al., IEEE Trans. Semicond. Manuf. 28, 521, 2015).
네 번째 열은 균일도의 문제입니다. 파장이 수 mm 밖에 안 되므로 음장에는 마디와 배가 촘촘히 생깁니다. 기판을 가만히 두면 어떤 자리는 세게 씻기고 어떤 자리는 전혀 씻기지 않습니다. 메가소닉 장비가 기판이나 노즐을 반드시 움직이는 이유입니다.
어디까지 떼고, 어디서 부수는가
네 가지 방식을 같은 표에 놓으면 선택의 구조가 드러납니다. 제거 하한은 각 방식이 입자에 힘을 전달하는 물리적 통로가 무엇이냐로 결정됩니다.
| 방식 | 힘의 전달 경로 | 실용적 제거 하한 | 패턴 손상 위험 | 주된 제약 |
|---|---|---|---|---|
| 브러시 | 돌기의 탄성력 + 물막의 끌림 | 서브마이크론 (접촉 폭에 의존) | 중간 — 접촉식이라 스크래치 가능 | 브러시 자체가 오염원이 될 수 있음 |
| 초음파 (20~200 kHz) | 큰 기포의 격렬한 붕괴 | 매우 낮음 (작은 입자도 제거) | 매우 높음 — 미세 패턴에 사용 불가 | 기포가 80µm 급, 손상 제어 불가 |
| 메가소닉 (0.8~2 MHz) | 음향 유동 + 작은 기포 | 경계층 두께 근방 (0.4~0.6µm)에서 급격히 나빠짐 | 낮음 — 출력을 올리면 상승 | 음장 불균일, 정전기 |
| 2유체 · 고압 제트 | 액적의 충돌 압력 | 낮음 (고착 입자에도 유효) | 높음 — 액적 크기·속도에 민감 | 정전기, 물 사용량 |
표가 압축하는 것은 물리 세정의 딜레마입니다. 가장 잘 떼는 방법이 가장 잘 부숩니다. 그래서 하나를 고르지 않고, 패턴이 없는 초기에는 강한 방식을, 미세 패턴이 완성된 뒤에는 약한 방식을 배치하며 공정 단계에 따라 방법을 갈아 끼웁니다. 메가소닉조차 쓰지 않고 화학과 유동만으로 처리하려는 접근도 제안되어 왔습니다(Kim, Cho, Kim et al., IEEE Trans. Semicond. Manuf. 17, 261, 2004).
물리 세정의 황금률
물리 세정에는 절대 어겨서는 안 되는 부등식이 있습니다.
구조물이 버티는 힘 > 세정하는 힘 > 입자가 붙는 힘
세정력이 입자 부착력보다 약하면 안 씻기고, 구조물의 강도보다 세면 패턴이 부서집니다. 이 사이의 좁은 구간을 찾는 것이 물리 세정 조건 설계의 전부입니다.
이 구간이 얼마나 좁은지는 액적 충돌을 계산해 보면 실감할 수 있습니다. 80bar 로 밀어낸 물의 분출 속도는 √(2ΔP÷ρ) 로 약 126m/s 입니다. 이 물줄기가 표면을 미는 정체압은 다시 80bar 수준이지만, 액적이 표면에 부딪히는 그 순간에는 이야기가 다릅니다. 충돌 직후 액적 안쪽은 아직 압축되지 않은 상태여서 압력이 ρ·c·v 로 치솟는데, 물의 음속 1,500m/s 를 넣으면 약 1,900bar 가 나옵니다.
충돌 순간 압력 ≈ 물 밀도 × 물속 음속 × 액적 속도 = 1,000 × 1,500 × 126 ≈ 1.9 × 10⁸ Pa
정상 유동으로 계산한 값의 스무 배가 넘습니다. 고압 제트와 2유체 세정이 고착 입자에 강한 이유이자, 같은 장비가 패턴을 순식간에 무너뜨리는 이유가 동시에 여기 있습니다. 이 방식에서 압력보다 액적의 크기와 속도 분포를 더 까다롭게 관리하는 까닭입니다.
그리고 이 부등식은 공정마다 달라집니다. 평평한 기판 초기에는 세게 쳐도 되지만, 미세 패턴이 완성된 뒤에는 같은 조건이 파괴적입니다. 그래서 세정 레시피는 공정 단계별로 다르게 설정됩니다.
씻는 물이 더러우면 — 초순수
당연한 이야기지만 놓치기 쉬운 사실이 있습니다. 헹구는 물이 오염돼 있으면 세정이 곧 오염 공정이 됩니다. 그래서 반도체·디스플레이 라인은 물을 직접 만듭니다.
초순수(UPW, Ultrapure Water)의 대표 지표는 비저항입니다. 물에 이온이 녹아 있으면 전기가 통하므로, 저항이 높을수록 순수하다는 뜻입니다. 이론적 한계값이 25℃에서 약 18.18 MΩ·cm이며, 이 값이 관리의 기준선이 됩니다(Ultrapure water).
이 18.18 이라는 숫자가 어디서 오는지는 직접 계산할 수 있습니다. 아무것도 녹지 않은 순수한 물이라도 스스로 조금은 이온화하기 때문입니다. 25℃ 에서 물의 이온곱은 10⁻¹⁴ 이므로 수소 이온과 수산화 이온의 농도가 각각 10⁻⁷ mol/L 이고, 두 이온의 몰전도도(약 349.7과 198.0 S·cm²/mol)를 곱해 더하면 전도도가 나옵니다.
κ = (349.7 + 198.0) × 10⁻⁷ ÷ 1,000 = 5.48 × 10⁻⁸ S/cm → 비저항 = 1 ÷ κ ≈ 18.3 MΩ·cm
인용된 18.18 과 소수점 아래에서만 갈리는 값이 나옵니다. 물의 순도 상한은 정수 기술이 아니라 물 자신의 자기 이온화가 정합니다. 아무리 잘 만들어도 이 벽은 넘을 수 없습니다.
거꾸로, 비저항이 조금만 떨어져도 그것이 무엇을 뜻하는지도 계산됩니다. 소금이 아주 조금 녹았다고 가정하고 같은 방식으로 계산한 결과입니다.
| 염화나트륨 농도 | 몰농도 | 계산 비저항 | 해석 |
|---|---|---|---|
| 0 (이론 순수) | 0 | 18.3 MΩ·cm | 물 자신의 이온화만 존재 |
| 0.1 ppb | 1.7 × 10⁻⁹ mol/L | 18.2 MΩ·cm | 규격 하한 근처 |
| 1 ppb | 1.7 × 10⁻⁸ mol/L | 17.6 MΩ·cm | 이미 뚜렷한 이상 신호 |
| 5 ppb | 8.6 × 10⁻⁸ mol/L | 15.3 MΩ·cm | 계통 이상 — 즉시 조치 대상 |
| 10 ppb | 1.7 × 10⁻⁷ mol/L | 13.1 MΩ·cm | 세정이 오염 공정이 되는 영역 |
표가 보여 주는 것은 비저항계가 얼마나 예민한 감시자인가입니다. 10억분의 1 수준의 이온 혼입이 소수 둘째 자리로 나타납니다. 18.2 가 17.6 으로 떨어졌다는 것은 "조금 나빠졌다"가 아니라 이온이 열 배로 늘었다는 뜻입니다.
관리 항목은 비저항만이 아닙니다. 대표적인 기준을 모으면 이렇습니다(Ultrapure water).
| 항목 | 기준 | 무엇을 막는가 |
|---|---|---|
| 비저항 | 25℃에서 18.18 MΩ·cm 초과 | 이온성 오염 · 재부착 |
| 총유기탄소(TOC) | 1 µg/L 미만 | 유기 오염막, 계면 결함 |
| 입자(0.05µm 초과) | 1L당 200개 미만 | 물리적 결함 |
| 용존 산소 | 10 µg/L 수준 | 원치 않는 자연 산화 |
| 실리카(총·용존) | 50 ng/L | 표면 잔류물 |
| 금속·붕소 | 원소당 1~10 ng/L 미만 | 소자 특성 열화 |
| 박테리아 | 100mL당 1 CFU 미만 | 유기물 공급원 |
단위를 보면 이 공정의 성격이 드러납니다. ng/L 는 1조분의 1(ppt) 급입니다. 이 순도를 내려면 이온 교환·역삼투·자외선 산화·한외여과를 여러 단으로 겹쳐야 하고, 비저항과 TOC 를 동시에 만족시키는 조합을 찾는 일이 그 자체로 연구 주제가 됩니다(Zhao, Bai, Liu et al., Process Saf. Environ. Prot. 126, 232, 2019). 세상에서 가장 깨끗한 물이라 불릴 만합니다.
공기도 만든다 — 클린룸
공기 중 먼지도 같은 문제입니다. 그래서 공정은 클린룸에서 진행됩니다. 클린룸의 등급은 단위 부피의 공기 안에 있는 일정 크기 이상 입자의 개수로 정해집니다.
과거 미국 규격에서는 Class 100이 "1세제곱피트당 0.5㎛ 이상 입자가 100개 이하"를 뜻했고, 현재 국제 규격(ISO 14644-1)에서는 이것이 대략 ISO Class 5에 해당합니다. 숫자가 작을수록 깨끗하며, 포토·세정 구역이 가장 엄격한 등급으로 운영됩니다(ISO 14644).
"얼마나 작은 입자까지 막아야 하는가"에는 오래된 경험칙이 있습니다. 회로의 최소 치수의 절반이 기준선입니다. 초순수 규격을 설명하는 자료도 같은 원칙을 들어, 40nm 급 소자라면 20nm 를 넘는 입자를 모두 걸러야 한다고 적습니다(Ultrapure water). 백플레인의 설계 치수는 반도체보다 훨씬 크지만 원칙은 같습니다 — 기준은 절대 크기가 아니라 만들려는 것의 크기에 대한 비율입니다. 그래서 해상도를 올리는 모든 세대 전환은 자동으로 세정과 청정도의 기준도 함께 끌어올립니다.
재미있는 것은 가장 큰 오염원이 사람이라는 사실입니다. 사람은 끊임없이 피부 조각과 미세 섬유를 흘립니다. 방진복과 에어 샤워가 필수인 이유이며, 공정 자동화가 품질 향상으로 이어지는 이유이기도 합니다(Cleanroom).
무엇이 왜 중요한가 — 관리 포인트 3
- 입자 수와 크기 분포 — 세정 전후를 비교해 제거 효율을 봅니다. 특정 크기대의 입자만 남는다면 그 크기에 맞는 방법이 빠져 있다는 신호입니다. 앞의 경계층 계산을 떠올리면, 메가소닉만 쓰면 0.5µm 언저리 아래가 유독 안 지워지는 것은 설비 고장이 아니라 물리의 결과일 수 있습니다.
- 기판 손상 — 스크래치, 패턴 결손, 실리콘 식각량. 세정력을 올릴 때 반드시 함께 확인해야 하는 짝입니다.
- 유틸리티 상태 — 초순수 비저항·TOC, 클린룸 파티클 카운트, 약액 농도. 세정 장비가 아무리 좋아도 이것들이 무너지면 소용없습니다.
흔한 오해
"초음파 세정기를 그대로 쓰면 되지 않나." — 주파수가 다르면 다른 장비입니다. 앞의 표대로 40kHz 대역의 공진 기포는 반지름 80µm 급으로, 미세 패턴보다 훨씬 큽니다. 이런 기포가 구조물 옆에서 붕괴하면 씻기는 것이 아니라 부서집니다. 주파수는 세기 조절 손잡이가 아니라 손상 여부를 가르는 스위치입니다.
"물리 세정은 화학 세정보다 강력하다." — 방향이 다를 뿐입니다. 물리적 힘은 접촉면 안쪽까지 파고들지 못하고, 화학은 고착된 접촉부를 풀지 못합니다. 실제 세정은 언제나 화학이 결합을 약화시키고 물리가 떼어내는 조합으로 짜입니다. 앞 편에서 본 알칼리 세정 중에 메가소닉을 함께 거는 것이 전형적인 예입니다.
"물은 깨끗하기만 하면 된다." — 초순수는 순수할수록 공격적이기도 합니다. 녹아 있는 것이 없으니 무엇이든 녹이려 들고, 흐를 때 정전기를 만들며, 이산화탄소를 만나면 곧바로 비저항이 떨어집니다. 그래서 초순수는 만든 뒤 저장해 두는 재료가 아니라 끊임없이 순환시키며 관리하는 설비입니다.
스무 편을 마치며
1편에서 우리는 화면을 확대해 서브픽셀 격자를 봤습니다. 그리고 그 격자를 제어하는 회로층 — 백플레인 — 을 만드는 여정을 시작했습니다.
돌아보면 이런 길이었습니다. 유리 위에 액체를 발라 기판을 만들고(2·3편), 수소를 빼내 레이저를 맞을 준비를 하고(4·5편), 나노초 동안 녹였다 굳혀 결정을 키우고(6·7편), 불순물을 심어 극성을 새기고(8편), 진공과 플라즈마의 무대 위에서(9편) 금속과 절연막을 쌓고(10·11편), 빛으로 회로를 그리고(12·13편), 패턴대로 깎아내고(14~16편), 마스크를 걷어내고(17편), 다시 깨끗이 씻어(18~20편) 다음 층을 준비하는 — 그 사이클의 반복이었습니다.
이 여정에서 반복해 확인한 원리가 몇 가지 있습니다.
- 모든 것은 온도의 천장 아래에서 이루어진다 — 유리가 못 견디는 온도가 LTPS라는 기술 전체의 형태를 정했습니다.
- 한 공정의 결과는 몇 단계 뒤에 드러난다 — 열처리의 휨이 노광 정렬로, PI의 파티클이 ELA의 폭발로, 하드 베이크 온도가 식각 프로파일로 나타났습니다.
- 수소처럼, 같은 것이 때로는 적이고 때로는 아군이다 — 빼야 할 때와 넣어야 할 때가 따로 있었습니다.
- 가장 큰 싸움은 성능이 아니라 균일성이다 — 수백만 개를 똑같이 만드는 일이 이 산업의 본질이었습니다.
마지막 세 편이 덧붙인 원리가 하나 더 있습니다. 공정을 지배하는 것은 대개 가장 큰 힘이 아니라 가장 작은 스케일입니다. 1µm 입자에서 중력이 부착력의 100만분의 1이라는 계산(18편), 15초라는 시간을 벌기 위해 불산을 100배로 묽히는 선택(19편), 기포를 1만 5천분의 1로 줄이려고 주파수를 25배 올리는 설계(20편) — 세 편이 모두 같은 이야기를 하고 있었습니다. 작아질수록 우리의 직관은 틀리고, 계산만이 남습니다.
여기까지 함께해 주셔서 감사합니다. 다음에 스마트폰 화면을 켜실 때, 그 뒤에서 수백만 개의 트랜지스터가 각자 정확한 전류를 흘리고 있다는 사실이 조금 다르게 느껴지신다면 — 이 시리즈는 제 몫을 다한 것입니다.
참고 자료
- Minnaert, "On musical air-bubbles and the sounds of running water", Philosophical Magazine 16, 235 (1933) : 기포의 공진 주파수가 반지름에 반비례한다는 고전적 관계
- Kim, Lee, Lim et al., "Dual-Frequency Megasonic Waveguide for Nano-Pattern Cleaning", IEEE Trans. Semicond. Manuf. 28, 521 (2015) : 세정력과 손상 회피를 주파수 조합으로 나눠 푸는 접근
- Kim, Cho, Kim et al., "Megasonic Free Single Wafer Cleaning Using Ozone Jet Without Pattern Damage", IEEE Trans. Semicond. Manuf. 17, 261 (2004) : 메가소닉 없이 패턴 손상과 기판 식각을 함께 줄이려는 시도
- Huang, Guo, Lu et al., "Mechanisms for nano particle removal in brush scrubber cleaning", Appl. Surf. Sci. 257, 3055 (2011) : 브러시 세정에서 탄성력과 유체 끌림 힘의 역할
- Huang, Guo, Lu et al., "Modeling of particle removal processes in brush scrubber cleaning", Wear 273, 105 (2011) : 구름·미끄러짐·들어올림의 제거 모드 모형
- Teng, Cui, He et al., "Damage free removal of nano-particles with dual-fluid spray nozzle cleaning", CSTIC (2016) : 2유체 분무로 패턴 손상 없이 나노 입자를 제거하는 조건
- Zhao, Bai, Liu et al., "Process optimization for producing ultrapure water with high resistivity and low total organic carbon", Process Saf. Environ. Prot. 126, 232 (2019) : 비저항과 TOC 를 동시에 만족시키는 정수 계통 설계
- US 7,185,384 B2 — Wafer cleaning brush : 돌기 없는 매끈한 브러시 표면으로 스크래치를 줄이는 설계
- Megasonic cleaning — Wikipedia : 메가소닉의 주파수 대역(0.8~2MHz)과 초음파(20~200kHz)의 차이, 손상이 적은 캐비테이션
- Ultrapure water — Wikipedia : 비저항 18.18 MΩ·cm 기준과 TOC·입자·금속 규격, 결함 크기 대비 여과 기준
- Cleanroom — Wikipedia · ISO 14644 — Wikipedia : 클린룸 등급 체계와 오염원 관리
- ※ 위 목록 가운데 Wikipedia 문서에서 인용한 부분은 CC BY-SA 4.0 라이선스를 따릅니다.