[논문]전산유체역학을 이용한 반도체 제조공정의 PM 전용 후드 설계 연구

홍좌령; 구재한; 박창섭; 최광민

doi:10.15269/jksoeh.2019.29.2.208

전산유체역학을 이용한 반도체 제조공정의 PM 전용 후드 설계 연구
Design of local exhaust ventilation for preventive maintenance in semiconductor fabrication industry using CFD 원문보기

한국산업보건학회지 = Journal of Korean Society of Occupational and Environmental Hygiene, v.29 no.2, 2019년, pp.208 - 216

홍좌령 (삼성전자 건강연구소) , 구재한 (삼성전자 반도체연구소 환경안전그룹) , 박창섭 (삼성전자 반도체연구소 환경안전그룹) , 최광민 (삼성전자 건강연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Objective: The aim of this study is to control residual chemicals or by-products generated in chambers during preventive maintenance (PM) in the semiconductor manufacturing industry. We designed local exhaust ventilation using computational fluid dynamics (CFD). Methods: The air flow characteristics and capture efficiency between rectangular and slot hoods were compared numerically. The software Fluent 18.1 was used to estimate uniform velocity distribution and capture efficiency for contaminants. A metal from group 15 in the periodic table was released at the bottom of the chamber to simulate emissions. Results: The slot hood had a higher capture efficiency than a rectangular hood under the same conditions because the slot hood provided uniform air flow and higher face velocity. Also, there was no rotating swirl in the plenum for slot, that is why slot had better efficiency than rectangular even though they had similar face velocity. With less than 10 slots, the capture efficiencies for contaminants were nearly 95%. The optimum conditions for a hood to achieve high efficiency was 8 to 10 slots and a face velocity over 1 m/s. Conclusions: Well-designed ventilation systems must consider both efficiency and convenience. For this study, a slot hood that had high capture efficiency and no work disturbance was designed. This will contribute to protection of the worker's health in a PM area and other areas as well. Also, this study confirms the possibility of the application CFD in the semiconductor fabrication industry.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Conditions of numerical analysis
그림 Figure 1. Schematic diagram of hood for PM process
그림 Figure 2. Configuration of hood with the grid pattern
그림 Figure 3. Distribution of velocity
표 Table 2. Face velocity by location
그림 Figure 4. Velocity vector and contour of rectangular hood
그림 Figure 5. Velocity vector and contour of slot hood
표 Table 3. Face velocity and capture efficiency by slot number

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 반도체 제조공정에서 작업환경개선 및 작업자 건강보호를 위해 PM 전용 후드를 설계하고자 CFD 시뮬레이션 기법을 이용하였으며, PM 작업에 방해가 되지 않으면서 효율이 높은 방법을 제시하고자 하였다.
이때 가장 중요한 것은 작업을 방해 하거나 사용에 불편함을 느끼지 않는 것이다. 본 연구에서는 이런 문제점을 최소화하고, 호흡영역 보호 및 주변으로의 오염물질 확산을 제어할 수 있는 방안을 수치해석 방법으로 제시하였다. 산업보건영역에서 CFD의 적용 가능성은 다양하며, 작업환경관리를 위한 효과적인 툴인 것으로 판단된다.

가설 설정

PM 전용 후드 설계를 위한 해석을 수행하기 위해 유동은 정상상태, 비압축성 유체로 가정하였으며, 난류 유동에 대한 지배방정식은 연속방정식, 운동량방정식, 에너지보존방정식으로 각각 다음과 같이 표현된다.
본 연구에서 사용한 수치해석 상용 프로그램은 Fluent Ver.18.1이며, 수치해석을 단순화하기 위해 정상상태, 공기의 밀도를 포함한 모든 물성치는 일정하다고 가정하였다. 유체의 흐름은 난류유동이므로, 난류의 수송방정식인 standard k-ε model을 이용하여 난류 운동에너지를 해석하였다.
41 CMM(cubic meter per minute)의 유량으로 배기되도록 하였고, 각각의 개구면은 압력차에 의해 기류가 이동할 수 있도록 설정 하였다. 후드의 제어효율 평가를 위해 원소 주기율표상의 15족 계열의 금속이 반응 챔버에서 발생하는 것으로 가정하였으며, 챔버 윗면(후드와 챔버가 만나는 지점의 면)에 0.1 kg/m2 -s의 에너지를 주었다. 국소배기장치 의 성능 평가는 포집 효율 테스트를 통해 평가할 수 있으며(Madsen et al.

제안 방법

반응 챔버는 직경 60 cm, 높이 100 cm인 원통형이며, 실제 반응 공정은 챔버 뚜껑이 닫힌 진공상태에서 진행된다. PM이나 장비 점검시에만 뚜껑을 오픈하여 작업을 진행하는데 본 해석에서는 PM 작업 시를 가정하였으므로 챔버 뚜껑이 오픈된 형태로 설정하였다.
국소배기장치는 챔버 직경과 같은 60 cm의 원형으로 제작하여 PM 작업 중에도 챔버에 얹어서 사용할 수 있도록 하였고 원형 내부에 개구면을 만들어 챔버에서 오염물질이 발생되더라도 공기 중으로 확산되기 전에 배기되도록 하였다. 후드 모양에 따른 효율 평가를 위해 배기유량, 오염 발생원 등 모두 동일한 조건을 주었으며, 수치해석 조건은 Table 1에 나타내었다.
슬롯 타입의 원형 후드는 화학 반응조, 호퍼, 전기 분해 등 수시 또는 주기적으로 개방된 형태로 작업이 진행되는 공정의 오염물질 제어에 효과적인 방법이다(Iwasaki & Ojima, 1997). 따라서 본 연구에서는 표면 유속 증가로 균일류 형성이 가능하고, 높은 제어효율 을 기대할 수 있는 슬롯 타입을 PM용 후드로 적용하고, 슬롯 개수 변경을 통해 최적의 조건을 찾고자 추가 시 뮬레이션(Case 3~5)을 수행하였다.
본 연구에서는 PM 작업 시 적용할 수 있는 후드 설계를 위해 CFD를 이용하였으며, 작업 형태에 따라 후드 이동이 필요 없고, 작업에 방해되지 않도록 챔버에 올려놓고 쓸 수 있는 형태의 후드를 설계하였다. 개구면 을 슬롯으로 했을 때 균일류 형성이 잘 되었으며, 충만 실에서 와류가 발생되지 않아 오염물질 제어효율도 높았다.
수치해석을 위한 경계조건은 원형 후드의 덕트에 velocity inlet 조건을 주어 2.41 CMM(cubic meter per minute)의 유량으로 배기되도록 하였고, 각각의 개구면은 압력차에 의해 기류가 이동할 수 있도록 설정 하였다. 후드의 제어효율 평가를 위해 원소 주기율표상의 15족 계열의 금속이 반응 챔버에서 발생하는 것으로 가정하였으며, 챔버 윗면(후드와 챔버가 만나는 지점의 면)에 0.
본 연구에서 사용한 수치해석 도메인은 Figure 1과 같고, (a)는 장방형(rectangular) 후드 타입으로 20×80 mm (가 로, 세로)의 개구면이 30개인 후드이며, (b)는 200×15 mm(가로, 세로) 크기의 슬롯(slot)형태의 후드이다. 슬롯후드는 슬롯 개수를 6, 8, 10, 14개로 변경하여 효율 을 평가하였다.

이론/모형

국소배기장치 설계는 미국산업위생전문가협의회 (American Conference of Governmental Industrial Hygienists, ACGIH)에서 발간되는 산업환기매뉴얼 (Industrial Ventilation Manual, IV manual)과 실험 결과를 바탕으로 설계 기준이 제시된 자료(Burgess 1989, Burton, 1994)를 통해 후드 설계 기준을 참고할 수 있다. 하지만 이 자료들에 제시된 설계 방법은 비슷한 공정에 대한 일반적인 사항일 뿐 특정 공정, 설비에 대한 정확한 설계 기준을 제시하지 못하는 경우도 있다(Goodfellow, 2001).
유체의 흐름은 난류유동이므로, 난류의 수송방정식인 standard k-ε model을 이용하여 난류 운동에너지를 해석하였다.
이산화방법(discretization) 으로는 유한체적법(finite volume method)을 적용하였으며, 연속방정식, Navier-Stokes 방정식 및 k-ε 방정식을 SIMPLE(Semi-Implicit Method Pressurelinked Equations) 알고리즘에 적용하여 계산하였다.

성능/효과

본 연구에서는 PM 작업 시 적용할 수 있는 후드 설계를 위해 CFD를 이용하였으며, 작업 형태에 따라 후드 이동이 필요 없고, 작업에 방해되지 않도록 챔버에 올려놓고 쓸 수 있는 형태의 후드를 설계하였다. 개구면 을 슬롯으로 했을 때 균일류 형성이 잘 되었으며, 충만 실에서 와류가 발생되지 않아 오염물질 제어효율도 높았다. 슬롯 속도가 높다고 효율이 높은 것은 아니므로 슬롯 개수는 표면 유속이 1.
38 m/s로 개구면 위치에 따른 속도 편차가 큰 것으로 확인되었다. 덕트와 먼쪽 부분에 실제 기류 흐름이 거의 없어 dead zone이 발생할 우려가 있으며, 오염물질 제어효율은 86.6%로 예측되었다(Table 2, Figure 3).
또한 후드 압력 손실은 슬롯속도의 제곱에 비례하므로 손실을 줄이기 위해 가능한 슬롯 속도를 낮추어야 한다(IV manual 27th, 2010). 따라서 PM 전용 후드 설계에서 는 반응 챔버에 올릴 수 있는 원형 후드에 슬롯 타입의 개구면을 8~10개로 하여 설계하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
개구 면적이 장방형 후드와 비슷하여 표면 유속 범위와 개구면 유속의 최대, 최소 비율이 유사한 수준이었다. 반면, 오염물질 제어효율은 장방형 후드보다 6.5% 증가한 93.1%로 슬롯 타입이 장방형보다 우수한 것으로 평가 되었다. 이는 장방형 후드에서 관찰되었던 와류현상이 슬롯 후드에서는 발생하지 않아 원활한 기류 흐름이 형 성되었기 때문으로 판단된다.
배기 유량은 동일한 상태에서 슬롯 개수만 변경하였을 때 슬롯 개수가 적을수록 개구면적 감소로 표면 유속은 증가하였으며, 최대/최소 유속비도 줄어드는 것을 확인하였다. Table 3은 슬롯 개수에 따른 표면 유속, 최대/최소 유속비 및 제어효율을 나타낸 것이다.
본 연구에서는 표면 유속, 유속 편차 및 제어효율 평가를 통해 슬롯 개수가 적을수록 효율이 높아지는 것이 확인되었다. 하지만 슬롯 표면 유속이 높다고 흡입력이 증가되는 것은 아니며, 슬롯 속도를 3.
이산화방법(discretization) 으로는 유한체적법(finite volume method)을 적용하였으며, 연속방정식, Navier-Stokes 방정식 및 k-ε 방정식을 SIMPLE(Semi-Implicit Method Pressurelinked Equations) 알고리즘에 적용하여 계산하였다. 수치해석에서 해의 수렴이 필요하므로 1000회 이상 반복 계산하였고, 반복계산에 의한 종속변수들의 수렴도를 잔차로 확인하여 10-3 이하에 도달하면 수렴된 것으로 판단하였다.
슬롯 개수가 10개 이하일 때 슬롯 개수에 따른 제어 효율에는 큰 영향이 없는 것으로 예측되었다.
개구면 을 슬롯으로 했을 때 균일류 형성이 잘 되었으며, 충만 실에서 와류가 발생되지 않아 오염물질 제어효율도 높았다. 슬롯 속도가 높다고 효율이 높은 것은 아니므로 슬롯 개수는 표면 유속이 1.0 m/s 이상 유지되면서 효율이 높은 8~10개로 제작하는 것이 적당하였다.
장방형으로 30개의 홀(hole)을 설치하였을 때, 덕트와 가까운 곳의 개구면의 표면 유속은 최대 2.56 m/s 까지 고속의 기류 흐름이 유지되지만, 덕트 반대편 쪽의 최소 유속은 0.38 m/s로 개구면 위치에 따른 속도 편차가 큰 것으로 확인되었다. 덕트와 먼쪽 부분에 실제 기류 흐름이 거의 없어 dead zone이 발생할 우려가 있으며, 오염물질 제어효율은 86.
8 m/s 이상은 유지되도록 설계하여야 최대/최소 유속비가 3배를 넘지 않았다. 제어효율 평가에서 슬롯후드가 10개 일 때(개구면적 : 0.03 m2 ) 94.7%로 가장 높은 효율을 나타냈으며, 8개, 6개일 때 각각 94.2%, 94.1%로 평가되었다. 슬롯 개수가 10개 이하일 때 슬롯 개수에 따른 제어 효율에는 큰 영향이 없는 것으로 예측되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	예방적 유지보수는 어떠한 작업인가?	반도체 제조 공정에서 생산 수율 향상 및 안정적인 생산 운영을 위해 반드시 필요한 작업 중의 하나가 예방적 유지보수(Preventative Maintenance, PM)이다. 설비 고장 방지 및 유지, 보수를 위해 주기적으로 진행 하며, PM시 챔버를 오픈하여 부품을 교체하고 챔버 내부를 물 또는 에탄올을 적신 와이퍼로 닦아 내는 등의 작업을 한다. 이 때 챔버 내에 잔류하는 반응물이나 화학물질간의 반응에 의해 부산물이 생성될 경우 작업자 노출이 발생할 수 있다(Park et al.
	메탈 (metallization)공정은 무엇인가?	반도체 소자들을 동작시키고 이들의 신호가 섞이지 않게 메탈을 이용해 선을 연결하는 작업을 메탈 (metallization)공정이라 하고, 메탈공정의 반응 챔버를 수치해석 모델로 사용하였다. 반응 챔버는 직경 60 cm, 높이 100 cm인 원통형이며, 실제 반응 공정은 챔버 뚜껑이 닫힌 진공상태에서 진행된다.
	사전 예방작업을 해야하는 이유와 어떠한 방법이 있는가?	고집적 반도체 제조를 위해 기술 난이도가 증가하고 공정 기술의 미세화가 진행됨에 따라 금속 및 유기물을 포함하는 화학물질의 사용이 다양해지고 있는 추세이다. 사용 화학 물질이 공정 챔버 내 잔류하거나 화학물질 간 반응에 의해 생성된 부산물이 생성될 가능성이 있고, 이는 제품 불량을 유발할 수 있기 때문에 사전 예방작업으로 배기 시스템을 가동하거나 생산 및 부대설비의 유지/보수 작업을 진행한다.

저자의 다른 논문 :

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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