클린룸은 얼마나 깨끗할까? Class 100, ISO 5 같은 등급을 정하는 방법

클린룸 등급은 공기 중의 먼지를 센 것이다. 공기 1세제곱미터(m³)에 일정 크기 이상의 파티클이 최대 몇 개까지 있을 수 있는가를 나타낸다. 대만에서 흔히 듣는 ‘Class 100’ ‘Class 10’은 옛 미국 표준으로, 공기 1세제곱피트(ft³)에 0.5마이크로미터(μm) 이상의 파티클이 각각 100개, 10개를 넘지 않는다는 뜻이다. 지금 국제적으로 통용되는 것은 ISO 14644-1 표준으로, ISO 1부터 ISO 9까지 아홉 등급으로 나눈다. Class 100은 대략 ISO 5, Class 10은 대략 ISO 4에 해당한다. 어느 쪽이든 숫자가 작을수록 깨끗하다.

등급에서 세는 ‘파티클’이란?

파티클(particle)은 공기 중에 떠다니는 작은 입자를 말한다. 먼지, 피부 각질, 옷의 섬유, 연기 등이다.

클린룸에서 가장 흔히 세는 크기는 0.5μm다. 1μm는 1mm의 1,000분의 1이다. 머리카락 굵기가 수십 μm 정도이므로, 0.5μm 파티클은 머리카락보다 백 배 넘게 가늘어 눈으로는 전혀 보이지 않는다.

공기질 앱에서 PM2.5를 본 적이 있을 것이다. 이는 2.5μm 이하의 입자를 말하며, 공기 1m³ 안에 든 입자의 ‘무게’로 나타낸다. 클린룸이 신경 쓰는 입자는 이보다 더 작고, 무게를 재는 대신 한 개 한 개 센다.

세는 방법은 이렇다. 파티클 카운터가 일정한 부피의 공기를 빨아들여 레이저 빛 사이로 통과시킨다. 파티클이 지나갈 때마다 빛을 산란시켜 한 번씩 반짝인다. 반짝인 횟수가 파티클의 개수이고, 반짝임의 밝기로 파티클의 크기를 알 수 있다.

Class 100과 ISO 5는 무엇이 다른가?

‘Class 100’은 미국 연방 표준에서 나온 말로, 단위는 세제곱피트다. Class 100은 1ft³당 0.5μm 이상 파티클이 100개 이하, Class 10은 10개, Class 1,000은 1,000개 이하라는 뜻이다. 이름이 곧 상한이다. 이 표준은 2001년에 국제 표준 ISO 14644-1로 대체되었지만, 옛 이름이 기억하기 쉬워 지금도 많은 사람이 쓴다.

ISO는 세제곱미터를 쓴다. 1m³는 약 35.3ft³이므로 100개에 곱하면 약 3,530개로, ISO 5의 상한인 3,520개와 매우 가깝다. 두 표준은 측정 방법이 완전히 같지는 않아서 보통 ‘대략 같다’고만 말한다.

국제 표준	1m³당 0.5μm 이상 파티클 상한	옛 명칭
ISO 3	35개	Class 1
ISO 4	352개	Class 10
ISO 5	3,520개	Class 100
ISO 6	35,200개	Class 1,000
ISO 7	352,000개	Class 10,000
ISO 8	3,520,000개	Class 100,000
ISO 9	35,200,000개	(없음)

ISO 뒤의 숫자는 사실 ‘0의 개수’다. 0.1μm 이상의 파티클을 세면 ISO 1은 1m³당 최대 10개, ISO 5는 최대 100,000개다. 한 등급 차이마다 상한이 10배씩 달라진다. 큰 파티클은 원래 작은 파티클보다 적으므로, 같은 등급 안에서는 0.5μm 이상의 상한이 더 낮다. ISO 3보다 깨끗한 ISO 1, ISO 2는 0.5μm 이상의 상한이 한 자릿수밖에 되지 않거나 아예 정해져 있지 않아서, 주로 더 작은 입자를 본다.

하나 더 있다. 같은 클린룸이라도 안에서 사람이 일하고 있는지에 따라 측정값이 크게 달라진다. 사람 자체가 큰 파티클 발생원이기 때문이다(‘클린룸에서는 왜 전신 방진복을 입을까?’ 참고). 그래서 등급을 말할 때는 어떤 상태에서 측정했는지를 분명히 해야 한다. 갓 지어 장비를 아직 들이지 않은 상태인지, 장비는 가동 중이지만 사람이 없는 상태인지, 아니면 정상 근무 중인지다.

일반 공기와 비교하면 얼마나 차이 나나?

0.5μm 이상 파티클을 기준으로 1m³당 비교하면 다음과 같다.

• 도시의 실외 공기: 수천만 개에 이르는 경우가 많고, 대략 ISO 9 수준이다.
• 일반 사무실: 한 대학 클린룸 안내 자료에 따르면 대략 1,000만여 개에서 3,000만여 개다.
• ISO 5(Class 100): 최대 3,520개다.

즉 ISO 5는 실외 공기보다 약 1만 배 깨끗하다. 실외 공기 1m³에 먼지가 1만 개 있다면, ISO 5인 방의 같은 1m³에는 한 개뿐이다.

팹은 왜 이렇게 깨끗해야 하나?

칩 위의 배선이 너무 촘촘하기 때문이다. 최첨단 칩에서 가장 촘촘한 배선의 간격은 수십 나노미터(nm)에 불과하다(“뉴스에서 말하는 ‘2나노’는 무엇이 2나노일까?” 참고). 0.5μm는 500nm로, 이 간격보다 열 배 이상 크다.

이런 파티클 하나가 웨이퍼 위에 떨어지면, 절반쯤 인쇄된 회로 위에 큰 돌덩이를 얹는 것과 같다. 배선 하나를 끊을 수도 있고, 떨어져 있어야 할 두 배선을 이어 버릴 수도 있다. 그 칩은 불량이 되고, 수율 손실로 잡힌다(“뉴스에서 말하는 ‘수율’이란?” 참고). 그래서 팹은 0.5μm만이 아니라 그보다 작은 입자까지 관리한다.

클린룸은 어떻게 이렇게 깨끗할 수 있나?

1. 천장 대부분이 필터다: 공기는 HEPA 필터(가장 걸러 내기 어려운 0.3μm 입자를 99.97% 이상 걸러 낸다)나 그보다 더 촘촘한 ULPA 필터를 거친 뒤에 실내로 들어온다.
2. 바람이 위에서 아래로 분다: 여과된 공기가 아주 고른 바람처럼 계속 아래로 내려간다. 사람과 장비에서 생긴 파티클은 이 바람에 실려 바닥 쪽으로 가므로 공중을 떠돌지 않고, 옆으로 흘러 웨이퍼 위에 내려앉기도 어렵다.
3. 바닥에 구멍이 있다: 클린룸 바닥은 흔히 띄워 설치한 이중 바닥이고, 바닥판마다 구멍이 촘촘히 뚫려 있다. 공기는 이 구멍을 지나 바닥 아래로 흘러간 뒤, 벽을 따라 난 통로로 천장까지 돌아가 다시 여과되어 내려온다. 대부분의 공기는 이렇게 실내를 계속 순환한다. 가장 깨끗한 클린룸은 실내 공기 전체를 한 시간에 백 번 넘게 바꾼다.
4. 기압이 바깥보다 조금 높다: 대기압의 약 1만분의 1 정도만 높지만 그것으로 충분하다. 문을 열면 공기가 바깥으로 흘러 나가므로 바깥 먼지가 들어오기 어렵다. 깨끗한 구역일수록 기압이 높아서, 공기는 깨끗한 곳에서 덜 깨끗한 곳으로 흐른다.
5. 사람도 물건도 관문을 거친다: 사람은 방진복으로 갈아입고 에어샤워를 지나며, 강한 바람으로 옷 표면의 파티클을 날려 보낸다(어떻게 입는지, 왜 그렇게 입는지는 그 글에서 다뤘다). 물건도 마찬가지로 먼저 깨끗이 닦은 뒤 패스 박스(pass box)로 들여보낸다. 보통 종이나 연필처럼 부스러기가 떨어지는 물건은 반입할 수 없다.

공장 전체가 최고 등급이어야 하나?

꼭 그렇지는 않다. 큰 공장 전체를 최고 등급으로 만들려면 공기를 많이 불어 넣어야 하고 전기도 많이 든다. 요즘 흔한 방식은 가장 엄격한 청정도를 웨이퍼가 실제로 노출되는 몇몇 작은 공간에만 적용하는 것이다.

웨이퍼는 팹 안에서 이동할 때 밀폐된 웨이퍼 용기(FOUP)에 담겨, 천장 레일을 달리는 OHT(천장 반송 장치)로 장비 앞까지 운반된다. 용기는 장비의 로드 포트(장비 입구에서 용기를 올려놓는 받침대)에 올려진 뒤에야 열리고, 로봇 팔이 웨이퍼를 곧바로 장비 안으로 옮기므로 그사이 실내 공기에 닿지 않는다. 용기 자체가 밀폐되어 있고, 장비 입구에서 용기를 올려놓고 로봇 팔이 웨이퍼를 옮기는 짧은 구간에도 자체 필터가 깨끗한 공기를 불어 넣는다. 이런 작은 공간은 실내보다 더 깨끗할 수 있다. 그래서 사람이 다니는 통로까지 꼭 최고 등급으로 만들 필요는 없다. 그래도 그곳 역시 클린룸이므로 방진복은 똑같이 입어야 한다.

fab24hr에서는

fab24hr에서는 모든 역할이 클린룸에 들어가기 전에 방진복으로 갈아입고 에어샤워를 통과한다. 에어샤워를 누르면 ‘빠른 속도의 깨끗한 공기로 몸에 붙은 미립자를 날려 보낸다’는 설명이 나온다. 공정 엔지니어로 플레이하면 오전 근무에 ETCH-03 수리가 끝난 뒤 테스트 런을 맡는다. ‘파티클 증가 수’가 10개 이하여야 통과다. 이는 웨이퍼 한 장 위에 파티클이 몇 개 늘었는지를 센 것으로, 공기를 세는 클린룸 등급과는 다른 이야기다. 오전 근무와 오후 근무에는 모니터 웨이퍼의 파티클 규격 초과를 만나 장비를 세울지 정해야 할 수도 있다. 박막 장비 엔지니어의 오후 근무에서는 타깃을 교체한 뒤 테스트 웨이퍼의 파티클이 평소보다 많이 나온다. Particle 용어 카드의 ‘조금 더 알아보기’를 열면 ISO 등급도 볼 수 있다. 게임 속 공장, 인물, 장비, 숫자는 모두 가상이며, 게임은 그 클린룸이 몇 등급인지 밝히지 않는다. 등급을 정하는 방법은 국제 표준에 공개된 정의를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.