[논문]클린룸 국소환경에서 오염원의 위험율에 대한 수치해석적 평가

노광철

doi:10.11629/jpaar.2018.14.4.181

클린룸 국소환경에서 오염원의 위험율에 대한 수치해석적 평가
Numerical evaluation of risk rates for contamination sources in a minienvironment 원문보기

Particle and aerosol research = 한국입자에어로졸학회지, v.14 no.4, 2018년, pp.181 - 189

노광철 (에어랩)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the risk rates of different contamination sources of the contaminant in a minienvironment were analyzed through Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation. The airflow pattern characteristics can only predict the qualitative variation of contaminant concentration, but cannot evaluate the quantitative variations in the risk rate of sources. From the results, the ambient contamination sources mainly affect wafers in the Front Opening Unified Pod (FOUP), whereas the internal contamination sources mainly affect wafers laid on the robot arm in the minienvironment. And the purging plenum system is very useful in protecting the wafers in the FOUP from contaminants transferred from the Fan Filter Unit (FFU). However, this system is unable to protect the wafers on the robot arm from internal contaminants and the wafers in the FOUP from sources of the interface between the FOUP and the minienvironment.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Description of critical zone and the linear summation of contaminants
그림 Fig. 2. Schematic design of the minienvironment system and positions of contamination source
표 Table 1. Six different cases to evaluate the risk rate
그림 Fig. 3. Velocity vectors in the y-z plane of x = 0.5 m in the minienvironment system with FOUP for the simulated cases from 1 to 6
표 Table 2. The average concentrations of contaminant and the risk rates for external sources
표 Table 3. The average concentrations of contaminant and the risk rates for internal sources

AI 본문요약
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가설 설정

09, 난류운동에너지(k), 혼합길이(l)는 유입구 수력직경의 7%로 선정하였다(Park, 1993). 그리고 6개의 오염원에서 발생하는 오염물질의 농도는 10,000 ppm으로 가정하여 해석을 수행하였다.
클린룸 국소환경에서의 유동은 3차원 정상상태 비압축성으로 가정된다. CFD계산에 있어서 유동 및 농도는 식 (4)에 표현된 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 계산하였고 난류모델은 표준 k-ε이 사용되었다(Park, 1993; Noh et al.
하지만 로봇관절(robot joint)과 같은 오염원에서의 오염발생농도는 위치마다 다르다. 하지만 본 연구에서는 로봇관절에서의 오염발생 농도가 국소환경의 외부와 동일하다고 가정하였다. 이는 오염발생농도가 실제와 다르다 할지라고 특정 오염원에 대한 위험율은 경계조건이나 국소환경 내부구조 변화에 따라 정성적으로 평가하는 것이 가능하기 때문이다.

제안 방법

현재까지는 국소환경에서 오염물질의 농도에 대한 정성적인 평가로서 기류와 압력분포에 대한 연구가 대부분이었고 오염원의 위치가 제품의 불량에 얼마나 영향을 미치는 지에 대한 연구는 없었다. 따 라서 본 연구에서는 CFD를 이용하여 오염원의 위치 가 제품의 불량에 미치는 영향을 평가할 수 있는 위 험율(risk rate)을 새롭게 정의하였고 이를 이용하여 제품의 수율향상을 위하여 국소환경시스템이 변화 되는 경우 오염원의 위치가 주요영역에 미치는 영향을 평가하였다.
본 연구에서는 국소환경에 대한 CFD 시뮬레이션을 통하여 여러 가지 오염원에 대한 위험율을 조사하였고 이를 기초로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 오염물질이 유동에 대한 피동요소 (passive component)라는 것을 이용하여 위험율을 새 롭게 정의하였다. 국소환경에서 유동형태가 결정되 었다고 가정하자.

대상 데이터

오염원은 Fig. 2에서와 같이 외부 3곳(O1~O3), 내부 3곳 (I1~I3)으로 총 6곳이 선정되었다.
본 연구에서는 FOUP 내부체적과 웨이퍼의 상하부를 주요영역으로 선정하였다. 오염원에 대한 위험율을 평가하기 위해서 Table 1과 같이 6가지의 다른 경우가 고려되어 졌다.

이론/모형

클린룸 국소환경에서의 유동은 3차원 정상상태 비압축성으로 가정된다. CFD계산에 있어서 유동 및 농도는 식 (4)에 표현된 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 계산하였고 난류모델은 표준 k-ε이 사용되었다(Park, 1993; Noh et al., 2003; Noh et al., 2005).
식 (4)의 지배방정식은 SIMPLE 알고리즘(Patankar, 1980)을 적용하고 상용 CFD코드인 STAR-CD를 사용하여 계산이 수행되었다. 그리고 대류항에 대한 계산을 위하여 2차의 상류차분도식(second order upwind scheme)을 사용하였다. 계산시 수렴판정 조 건으로는 입구에서의 유입질량률과 운동량으로 정규화한 각 셀(cell)에서의 운동량 유수의 합과 연속 방정식에서 유수의 합이 모두 10^-3 이하로 하였고, 농도장은 유수의 합이 10^-7 이하일 때로 정하였다.
식 (4)의 지배방정식은 SIMPLE 알고리즘(Patankar, 1980)을 적용하고 상용 CFD코드인 STAR-CD를 사용하여 계산이 수행되었다. 그리고 대류항에 대한 계산을 위하여 2차의 상류차분도식(second order upwind scheme)을 사용하였다.

성능/효과

(1) 국소환경을 평가하기 위하여 사용되고 있는 와류, 순환영역 등의 기류분포특성은 오염물질농도에 대해 정성적인 평가가 가능하지만 정량적인 평가는 어렵다는 것을 알 수 있었다. 그리고 제안된 위험율 평가방법은 오염원의 위험정도를 평가하기에 적합한 것으로 판단되었다.
(2) 주요영역에서 오염농도와 위험율의 결과로부터 외부오염원에서 유입된 오염원들은 주로 FOUP에 위치한 웨이퍼에 영향을 미치는 반면, 로봇 구동부와 같은 내부오염원에서 발진된 오염물질은 로봇팔에 놓인 웨이퍼에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
(3) FOUP에 위치한 웨이퍼를 보호하기 위해 사용되는 정화플레넘은 FFU를 통해 유입되는 오염물질을 대해 유용하지만 주요오염원이 내부에 있는 경우에는 제품의 생산수율에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.
정화플레넘이 사용된 경우, 주요영역에서의 오염 농도는 정화플레넘이 사용되지 않은 경우보다 낮아지는 것으로 나타났다. FOUP에서 오염원의 위험율 순위는 O2>O1>O3이고, 로봇팔 위에 있는 웨이퍼에서 위험율 순위는 O1>O2>O3로 나타났다. 정화플레 넘이 사용되지 않은 경우와 비교를 하였을 때, O1에 서의 위험율이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었고 정화플레넘의 사용은 산소와 수분이 FOUP으로 침투하는 것을 방해하여 웨이퍼를 보호할 수 있다는 이전의 연구결과와 잘 일치함을 보여준다 (Keyhani et al.
이는 웨이퍼가 FOUP으로부터 빠져 나오는 기류의 흐름을 방해하여 O3에서 발생된 오염물질의 배출을 방해하고 웨이퍼의 하단으로 이들을 이동시키기 때문이다. 그리고 FOUP에서의 오염물질농도가 웨이퍼주변에서의 오염물질농도보다 큰 것으로 나타나서 FOUP이 보다 중요한 주요영역임을 알 수 있었다. 일반적으로 웨이퍼가 FOUP에 머무르는 시간이 길기 때문에 오염물질이 국소환경 외부에서 유입되는 경우에는 O1 과 O2가 주요 오염제어 대상임을 알 수 있었다.
이는 LPU와 로봇 지지대 사이에서 형성된 와류가 오염물을 상승시켜 웨이퍼의 하단을 오염시키기 때문이다. 그리고 국소환경에서 웨이퍼가 높게 위치할수록 오염물질의 평균농도는 증가하는 경향을 나타냈다. 이로부터 웨이퍼에서의 위험율은 웨이퍼의 위치가 높아짐에 따라 점차 증가됨을 알 수 있었다.
(1) 국소환경을 평가하기 위하여 사용되고 있는 와류, 순환영역 등의 기류분포특성은 오염물질농도에 대해 정성적인 평가가 가능하지만 정량적인 평가는 어렵다는 것을 알 수 있었다. 그리고 제안된 위험율 평가방법은 오염원의 위험정도를 평가하기에 적합한 것으로 판단되었다.
이러한 결과는 주요 오염원이 I2인 경우 정화플레넘의 사용 이 제품의 생산수율에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있음을 보여주는 결과이다. 따라서 국소환경에서 경계 조건 등의 변화가 있을 때에는 오염위치에 따른 위험율을 측정하는 것이 중요한 작업이라는 것을 재차 확인할 수 있었다.
이상에서 살펴본 와류의 형태나 크기, 강도로부터 오염물질의 정성적인 농도변화를 예측하는 것은 가능하였다. 그러나 오염원의 위치에 따른 영향이 얼마나 되는지, 정화플레넘과 같은 경계조건의 변화에 따라 주요영역에서 오염물질의 농도가 어떻게 변하 는지 등을 파악하는 것은 어려움이 있을 것으로 판단되었다.
Table 2는 주요영역에서 외부오염원에 의한 평균 농도와 계산된 위험율의 결과를 보여주고 있다. 정 화플레넘이 사용되지 않은 경우 오염원에 대한 위험율의 순서는 O2>O1>O3이고, 오염원 O1과 O2가 주요영역에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나, 웨이퍼가 가장 낮은 위치에 있는 경우(case 3)에는 오염원 O3가 로봇팔 위에 놓인 웨이퍼에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
FOUP에서 오염원의 위험율 순위는 O2>O1>O3이고, 로봇팔 위에 있는 웨이퍼에서 위험율 순위는 O1>O2>O3로 나타났다. 정화플레 넘이 사용되지 않은 경우와 비교를 하였을 때, O1에 서의 위험율이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었고 정화플레넘의 사용은 산소와 수분이 FOUP으로 침투하는 것을 방해하여 웨이퍼를 보호할 수 있다는 이전의 연구결과와 잘 일치함을 보여준다 (Keyhani et al., 2004). 그러나, 정화플레넘의 사용으로 인하여 O2와 O3의 위험율은 반대로 증가하는 경향을 보였고 이는 불량률을 증가시키는 원인이 된다.
4%로 계산되어 맨 위에 위치한 웨이퍼가 가장 많이 오염될 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 정화플레넘이 설치된 경우에는 웨이퍼가 중간과 가장 낮은 곳에 위치할 때 오염원 I2의 위험율이 정화플레넘이 설치되지 않은 경우에는 비해 증가된 것으로 나타났다. 이러한 결과는 주요 오염원이 I2인 경우 정화플레넘의 사용 이 제품의 생산수율에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있음을 보여주는 결과이다.

후속연구

그러나, 정화플레넘의 사용으로 인하여 O2와 O3의 위험율은 반대로 증가하는 경향을 보였고 이는 불량률을 증가시키는 원인이 된다. 이러한 결과로부터 정화플레넘과 같은 오염제어를 위한 방법이 생산수율에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있기 때문에 오염위치에 따른 위험율을 확인하는 것이 중요한 작업이 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	클린룸에서 사용되고 있는 국소환경의 장점은 무엇인가?	클린룸에서 국소환경(minienvironment)을 사용하는 목적은 주변 환경이나 작업자 등으로부터 오염에 민감한 제품이나 공정을 보호할 뿐만 아니라 유해한 오염물이 작업자나 제품에 노출되는 것을 방지하기 위함이다. 클린룸에서 사용되고 있는 국소환경은 제품의 생산수율을 증대시킬 수 있고 비용절감, 작업자의 만족도와 생산성을 향상시킬 수 있는 이점을 갖고 있다. 이러한 이유로 클린룸 공정에서는 제품의 불량률과 직접적으로 연관이 되는 주요 영역(critical zone)을 보호하기 위하여 국소환경의 사용이 점차 증가되고 있는 추세이다.
	클린룸에서 국소환경(minienvironment)을 사용하는 목적은 무엇인가?	클린룸에서 국소환경(minienvironment)을 사용하는 목적은 주변 환경이나 작업자 등으로부터 오염에 민감한 제품이나 공정을 보호할 뿐만 아니라 유해한 오염물이 작업자나 제품에 노출되는 것을 방지하기 위함이다. 클린룸에서 사용되고 있는 국소환경은 제품의 생산수율을 증대시킬 수 있고 비용절감, 작업자의 만족도와 생산성을 향상시킬 수 있는 이점을 갖고 있다.
	오염원에 대한 위 험평가를 통해 알 수 있는 것은?	국소환경에서 대부분의 오염원과 그들이 전달되 는 경로(route)가 인식되어 진다면 오염원에 대한 위 험평가를 수행할 수 있다. 이 결과로부터 어떤 오염 원이 중요한지, 위험의 정도가 얼마나 되는지를 확 인할 수 있다. 위험평가를 위하여 Whyte (2001)는 다 음과 같은 방법을 제시하였다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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